Arvestades mikroorganismide olulisust aineringetes, nende väga laia levikut ja suurt biomassi, on meie teadmised mikroobide mitmekesisuse kohta väga kesised. Klassikalisi uurimismeetodeid üha rohkem asendav tänapäevane molekulaarbioloogia on märgatavalt laiendanud arusaamu mikroorganismide rohkusest, sugulussidemetest ja universaalsest evolutsioonipuust.

Mikroobidele mõtleb enamik inimesi ainult haiguse ajal, äärmisel juhul meenub juustu või õlle tootmine. Looduse mitmekesisusena mõistame tavaliselt makroorganisme: pahatihti lõpebki liikide loend hulkraksete organismidega. Kui aga võtame ühe neist organismidest, näiteks putuka ja uurime teda lähemalt, siis leiame tema seest sadu või isegi tuhandeid mikroobiliike. Peotäis mulda sisaldab miljardeid mikroorganisme ning nii palju liike, et seda arvu ei osata päris täpselt isegi hinnata. Ainult väike hulk mikroorganismidest on meile tuntud. Veidi üle 5000 bakteri ja ürgi on senini kultiveeritud ja kirjeldatud, üherakulisi eukarüoote teatakse maailmas umbes 80 000 (vastandina peaaegu miljonile kirjeldatud putukaliigile).

Mikroobide maailm on tundmatu eeskätt seepärast, et nad on väga pisikesed, üksikindiviidina inimese silmale nähtamatud. Vaid Namiibia väävlipärlbakteri (Thiomargarita namibiensis) keskmine läbimõõt on 0,5 mm ja seega on ta palja silmaga nähtav [3]. Kuid see bakter on samasugune hiiglane nagu sinivaal hiire kõrval.

Mikroobid avastati üldse üsna hiljuti, umbes kolmesaja aasta eest, kui Leeuwenhoek asus loodust mikroskoobi abil vaatlema. Kahjuks ei aita mikroskoop kuigivõrd mikroorganisme klassifitseerida: näeme vaid kerakesi või pulgakesi, millel pole selgelt eristatavat peenemat struktuuri (joonis 2A).

19. sajandi teisel poolel leiutas sakslane Rober Koch puhaskultuuride meetodi: ta isoleeris siberi katku ja koolerat tekitavad bakterid. Puhaskultiveerimine on siiani põhimeetod, mille abil uuritakse baktereid igapidi, eelkõige nende füsioloogiat. Paraku annab see mikroobide mitmekesisusest väga piiratud ettekujutuse, kuna neist suuremat osa ei õnnestu standardmeetodite abil kultiveerida. Veelgi enam, morfoloogial ja ainevahetuse eripäral põhinev klassifitseerimine ei anna loomulikku, evolutsioonilistel suhetel rajanevat süsteemi.

Molekuli järjestused ja universaalne evolutsioonipuu. Tänapäeval arendatud molekulaarsed meetodid suudavad teatud määral seda puudujääki täita. Isegi praegused esialgsed tulemused on oluliselt muutnud meie arusaamu mikroobide mitmekesisusest.

Enne biomolekulide, peamiselt nukleiinhapete järjestustel põhinevate meetodite rakendamist 1960. aastate keskel polnud võimalik selgitada kogu elusloodust ühendavaid universaalseid evolutsioonilisi suhteid. Varem jagati elusloodus tavaliselt viieks haruks ehk riigiks: loomad, taimed, seened, protistid ehk algloomad ja bakterid. Samuti teati, et kõrgemal tasemel jaguneb näiliselt olulisem elusloodus eukarüootideks, kellel on olemas DNAd ümbritsev tuumamembraan, ning tuumamembraanita prokarüootideks. Valdav osa eluslooduse mitmekesisusest Maal arvati tulenevat eukarüootidest, eriti nende hulkraksetest vormidest.

Läbimurdeni jõuti 1960. aastate lõpul, kui määrati esimesed biomolekulide järjestused ja leiti, et nende põhjal on võimalik näidata organismide evolutsioonilist kuuluvust. Üks tooni andvamaid teadlasi sellel alal on olnud Carl Woese, kes ribosoomi-RNA (rRNA) järjestusi võrreldes koostas kõiki organismitüüpe ühendava molekulaarse evolutsioonipuu (joonis 1), mida kasutatakse elu ajaloolise arengu rekonstrueerimisel.

Ribosoomid on raku organellid, mis koosnevad RNA ja valgu molekulidest ning vastutavad uute valkude sünteesi eest. Kuna uusi valke sünteesitakse kõigis rakkudes, siis on ka ribosoomid eluslooduses kõikjal levinud. Seega saab rRNA ja seda kodeerivate geenide järjestusi kasutada universaalset evolutsioonipuud koostades.

Põhimõtteliselt on sellist puud lihtne koostada. Eri organismide rRNA järjestusi võrreldakse paari kaupa ja loetakse kokku erinevused. Saadud arv ongi organismidevahelise evolutsioonilise kauguse mõõt, sest erinevuste tekkeks on kulunud teatud aeg. Nüüd võrreldakse omakorda evolutsioonilisi kaugusi ning selle põhjal leitaksegi üldine puu, kus üksteisele kõige sarnasemad oksad asuvad kõrvuti. Okste pikkus vastab rRNA järjestuses toimunud muutuste arvule ehk evolutsioonilisele kaugusele. Seda puud võib vaadelda organismide geneetiliste põhikomponentide evolutsiooni näitava kaardina. Paraku ei vasta evolutsiooniline kaugus reaalsele ajale, puu eri harud on evolutsioneerunud erisuguse kiirusega. Hoolimata sellest näitab harude eraldumise järjekord organismide omavahelisi evolutsioonilisi suhteid. Joonisel 1 esitatud rRNA järjestuste põhjal tehtud evolutsioonipuu ühtib üldjoontes teiste nukleiinhapetes talletatud informatsiooni säilitamises ja avaldumises osalevate molekulide järjestuste alusel koostatud evolutsioonipuudega. Kui me võrdleme raku ainevahetusradades osalevaid ensüüme kodeerivate geenide järjestusi, siis saame tihti teistsuguse puu. Oletatavasti võib selle põhjuseks olla horisontaalne geeniülekanne, millest tuleb juttu edaspidistes kirjutistes.

Universaalset evolutsioonipuud uurides näeme esiteks kolme haru, mida nimetatakse ka domeenideks: eukarüoodid, bakterid ja ürgid; ürge on varem kutsutud ka arhebakteriteks ehk arheateks.

Eukarüootide eripära on DNAd ümbritsev tuumamembraan. Eukarüoodid on kõik loomad, taimed ja seened. Peale makroorganismide leidub looduses palju ainurakseid eukarüoote, keda me palja silmaga ei näe.

Bakteritel pole tuumamembraani. Baktereid leidub kõikjal meie ümber ja sees, nahal, soolestikus jne. Mõned neist põhjustavad haigusi, kuid enamikuga elame vastastikku kasulikus sümbioosis.

Ürgid ehk arhebakterid arvati varem bakterite hulka, kuna neilgi pole tuumamembraani. Ürgide iseärasusi, nagu näiteks rakumembraani lipiidide omapärane struktuur, ei pandud piisavalt tähele liigitamaks neid iseseisvasse eluslooduse domeeni. Nüüd on selgunud, et paljud ürgide raku geneetilise informatsiooni paljundamise, säilitamise ja avaldumise eest vastutavad ensüümid sarnanevad eukarüootide vastavate ensüümidega. See toetab veenvalt rRNA järjestuste põhjal koostatud evolutsioonipuud, kus ürgid on lähemal eukarüootidele kui bakteritele.

Kus need salapärased ürgid elavad? Esimestena avastatud ning siiani enim tuntud ürgid elavad äärmuslikes elukeskkondades, näiteks kuumaveeallikates, kus veetemperatuur võib ulatuda 100 kraadini või ülisoolastes järvedes, kus soolsus ulatub 300 promillini (maailmamere soolsus on 34–36 promilli). Täpsemalt uurides on selgunud, et ürgid ei olegi nii eksootilised: mõned elavad isegi meie sooles ja toodavad seal metaani. Samuti on neid palju igasuguses looduskeskkonnas. Näiteks maailmaookeanis hinnatakse ürgide arvuks umbes 1,3 · 1028 rakku [1].

Üks üllatavamaid avastusi evolutsioonipuud vaadeldes on see, et enamik meile siiani tuntud organismidest moodustavad ainult pisikese osa bioloogilisest mitmekesisusest. Taimed, seened ja hulkraksed loomad kuuluvad kõik ühte eukarüootide oksa, olles omavahel evolutsiooniliselt väga lähedased. Suurema osa eluslooduse mitmekesisusest moodustavad vähetuntud mikroorganismid.

Evolutsioonipuul leiame ka mitokondri ja kloroplasti. Need eukarüootse raku lahutamatud organellid (kloroplastid on ainult taimerakkudes) sisaldavad DNAd, mis kodeerib vastavas organellis talitlevat rRNAd. Seega on rRNA järjestuste abil võimalik jälgida ka mitokondri ja kloroplasti evolutsiooni. Molekulaarsed andmed kinnitavad veenvalt hüpoteesi, et mitokondrid ja kloroplastid on tekkinud sümbiontsetest bakteritest, kes on arenenud peremeesrakuga koevolutsioneerudes. Mitokondrid on tekkinud proteobakteritest ja kloroplastid tsüanobakteritest ehk sinivetikatest. Niisiis on eukarüootide omadus hingata ja fotosünteesida tekkinud bakteritest sümbiontide kaasabil. Seevastu eukarüootide tuuma moodustanud organismid evolutsioneerusid pikka aega iseseisvalt, moodustades eraldiseisva eluslooduse haru. Mitokondri ja kloroplasti omandas eukarüoot suhteliselt hiljuti. Osal eukarüootidel puuduvad mitokondrid. Praegu ei teata, kas nad pole veel mitokondreid omandanud või on varasemad mitokondrid anaeroobse elukeskkonna tõttu kadunud.

Kuidas mikroobe üles leida ja ära tunda? Pikka aega on olnud ainus meetod uusi mikroorganisme kindlaks teha nende kasvatamine laboratooriumis. Nüüd on aga selgunud, et mõnest elukeskkonnast saab kultiveerida vaid alla ühe protsendi mikroobe. Kuna molekulaarne taksonoomia rajaneb nukleiinhapete järjestustel, siis on uute mikroorganismide identifitseerimiseks vaja ainult geeni järjestust, mitte enam tervet elusat rakku. Jälgimaks organismide olemasolu, tuleb paljundada rRNA geene loodusest isoleeritud DNAlt. Ei ole vaja leida tingimusi eri organismide kasvuks, piisab hästi välja töötatud DNA ekstraheerimise ja paljundamise meetoditest. Niisugune mikroobide ökosüsteemide vaatlus ei ole ainult taksonoomiline harjutus: teadaolevate järjestuste alusel saab arendada välja meetodeid, mis võimaldavad edaspidi täpsemalt uurida mikroobide elu looduslikus keskkonnas [2].

Loodusest eraldatud DNAst on vaja õige geen üles leida ja paljundada. Kõige tõhusam meetod on polümeraasi ahelreaktsioon (PCR, ingl. Polymerase Chain Reaction), mis kujutab endast nukleiinhappe järjestuse kunstlikku paljundamist katseklaasis (joonis 3). Et rRNA mõned piirkonnad on tugevasti konserveerunud, siis on võimalik leida ”universaalseid” PCRi praimereid (lühikesi üheahelalisi DNA molekule), mille abil saab paljundada rRNA geene kõikide organismide genoomsest DNAst. Põhimõtteliselt on sel moel võimalik paljundada kõigi uuritavas proovis leiduvate organismide rRNA geene. Eri geenid lahutatakse üksteisest neid kloonides: üksik DNA molekul viiakse laboris kasvatatavasse bakterisse ning kasvatatakse-paljundatakse koos selle bakteriga. Seejärel määratakse nende nukleotiidsed järjestused.

Juba esimesed molekulaarsed uuringud tõendasid, et meie senine ettekujutus mikroobide maailmast on puudulik. Peaaegu iga uus PCRi abil tehtud töö on identifitseerinud uusi mikroobide rühmi. Ribosoomi-RNA geenide järjestused, mis on kogutud looduslikust keskkonnast, annavad esialgset informatsiooni looduses leiduvate mikroobide kohta. Neid võib täpsemalt edasi uurida, kui nad tunduvad huvitavad või potentsiaalselt kasulikud. Kui tahame mõista biosfääris toimuvaid protsesse, siis peame tundma mikroobide mitmekesisust. Kõiki Maa mikroobirühmi ei saa 'taksonoomiliselt' kataloogida ja selleks polegi vajadust. Ent mingi ettekujutus on siiski oluline. Ühtlasi võimaldavad molekulaarsed meetodid paremini mõista mikroobide ökoloogiat.

1. Karner, Markus B., DeLong, Edward F., Karl, David M. 2001. Archaeal dominance in the mesopelagic zone of the Pacific Ocean. Nature 409: 507–510.

2. Pace, Norman R. 1997. A molecular view of microbial diversity and the biosphere.
Science 276: 734–740.

3. Schulz, Heide N. et al. 1999. Dense Population of a Giant Sulfur Bacterium in Namibian Shelf Sediments. Science 284: 493–495.

Tanel Tenson (1970) on lõpetanud Tartu ülikooli bioloogina, kaitsenud doktoritöö molekulaarbioloogia erialal; praegu Tartu ülikooli molekulaar- ja rakubioloogia instituudi vanemteadur.

Veljo Kisand (1970) on lõpetanud Tartu ülikooli bioloogina, kaitsenud doktoritöö hüdrobioloogia erialal; praegu järeldoktor Oldenburgi ülikooli merekeemia ja -bioloogia instituudis Saksamaal.