Niezwykła zdolność zwierząt wędrownych do nawigowania i zapamiętywania szlaków może wynikać nie tylko z wrażliwości na pole magnetyczne Ziemi, ale być może także z interakcji z żyjącymi w ich wnętrzu bakteriami magnetycznymi.

Związek między tymi bakteriami magnetycznymi i zwierzętami, w których bytują, nie jest jeszcze w pełni poznany, ale adiunkt Wydziału Biologii UCF Robert Fitak niedawno skompilował bazę danych DNA zwierząt zawierającą setki milionów sekwencji wykazujących obecność różnych typów bakterii magnetycznych, którą chce wykorzystać jako narzędzie w swoich badaniach nad tym zagadnieniem.

Baza danych stanowi krok naprzód w jego badaniach i opiera się na wcześniejszych hipotezach i analizach opublikowanych w 2020 r. we współpracy z kolegami z Wielkiej Brytanii i Izraela.

W 2021 roku Fitak kontynuował przeglądanie baz danych, aby sklasyfikować zwierzęta, które mogą być żywicielami bakterii magnetycznych i sprawdzić, czy istnieją jakieś dominujące wzorce.

„Pierwsze badanie, które przeprowadziliśmy, polegało na przejrzeniu istniejących zestawów danych i podsumowaniu, gdzie znaleźliśmy tę bakterię u różnych zwierząt” — mówi. „Przeszukaliśmy około 50 000 poprzednich badań naukowych. Teraz rozszerzyliśmy to na badanie światowej bazy danych informacji genetycznych i byliśmy w stanie podsumować, gdzie znajdują się te bakterie na podstawie bilionów sekwencji genetycznych”.

Baza danych została opublikowana na początku tego roku w Dane w skróciei czerpie informacje z publicznie dostępnego Archiwum Odczytów Sekwencji Narodowego Centrum Informacji Biotechnologicznej.

Fitak skupił się na uporządkowaniu sekwencji DNA pochodzących od różnych gatunków zwierząt, które odpowiadają znanym bakteriom magnetycznym, aby pomóc sobie i innym badaczom zawęzić zakres badań nad rolą środowiskową i ekologiczną bakterii magnetycznych lub zidentyfikować potencjalne zwierzęta żywicielskie.

Wewnętrzny kompas?

Fitak i jego współpracownicy wykorzystują oczyszczone dane do zidentyfikowania potencjalnych organizmów żywicielskich dla bakterii magnetycznych i zapewnienia szerszego kontekstu do badania roli, jaką mogą one odgrywać u zwierząt – na przykład w nawigacji.

„Ostatecznie, jeśli lepiej zrozumiemy, jak zwierzęta się poruszają, będzie to przydatne do ochrony zagrożonych lub chronionych gatunków” — mówi Fitak. „Jeśli będziemy wiedzieć, dokąd i jak się przemieszczają, może to pomóc nam podejmować trafniejsze decyzje dotyczące zarządzania”.

Interesuje go, czy bakterie magnetyczne znajdują się w regionach wewnątrz zwierzęcia, aby mogły je wyczuć, np. w częściach układu nerwowego. Fitak uważa, że ​​mogłyby służyć jako pomoc nawigacyjna dla zwierząt lub zapewnić dodatkowe wsparcie dla stworzeń, takich jak ptaki lub żółwie morskie, które już wykorzystują pole magnetyczne Ziemi do nawigacji na duże odległości.

„To niemal jak mikrobiologiczny kompas i badamy, jak to może działać” – mówi Fitak. „Uważamy, że zwierzęta już używają pola magnetycznego Ziemi jak kompasu”.

Dodaje, że inną potencjalną korzyścią jest to, że naukowcy mogą badać, w jaki sposób zwierzęta wyczuwają pola magnetyczne, i potencjalnie naśladować sposób, w jaki są one wykorzystywane w różnych zastosowaniach, na przykład w dostarczaniu leków.

Jednakże nie ma jednoznacznych dowodów na to, że zwierzęta te wykorzystują bakterie magnetyczne do nawigacji, czy też nie – mówi Fitak.

„Najważniejsze podsumowanie naszych dotychczasowych badań jest takie, że nie wiemy jeszcze, czy te bakterie wyczuwają bakterie u zwierząt, ale mamy dowody na to, że żyją w tych zwierzętach” – mówi. „Ale dowiedzieliśmy się, że możemy używać znaczników genetycznych, które są sygnaturami bakterii wytwarzających magnesy, i zidentyfikowaliśmy te sygnatury genetyczne tych bakterii u różnych zwierząt – w tym u ludzi”.

Tego rodzaju bakterie często żyją w osadach lub mułach, gdzie nie ma dużo tlenu, mówi Fitak. Składają mikroskopijne i namagnesowane żelazne „łańcuchy”, aby pomóc im się poruszać, mówi.

Fitak mówi, że nie jest pewne, w jaki sposób organizmy te trafiają do organizmu wraz z bakteriami, ale przypuszcza się, że dzieje się to prawdopodobnie poprzez absorpcję lub spożycie.

„Do tej pory nasze wyniki w różnych projektach pokazują, że te bakterie magnetyczne wydają się być regularnym składnikiem mikrobiomów wielu gatunków” – mówi. „Mamy nadzieję, że nasze przyszłe prace pokażą, czy są one po prostu przypadkowo zbierane ze środowiska, czy też są funkcjonalnym składnikiem wykrywania magnetycznego u zwierzęcia żywiciela, czy też z jakiegoś innego nieznanego powodu”.

Skupiając się na żółwiach morskich

Fitak i jego zespół studentów-badaczy skupiają się na badaniu próbek pobranych od żółwi zielonych i szylkretowych, aby pogłębić wiedzę na temat bakterii magnetycznych.

„Żółwie morskie są swego rodzaju modelem nawigacji zwierząt” – mówi. „Testowaliśmy nasze hipotezy na żółwiach morskich, ponieważ podróżują one do bardzo konkretnych miejsc bardzo dokładnie”.

Skupienie się na żółwiach morskich było naturalnym kolejnym krokiem, ponieważ wiadomo, że posiadają bakterie magnetyczne i polegają na polu magnetycznym Ziemi, aby migrować, mówi Fitak. Grupa badawcza ds. żółwi morskich UCF również odegrała kluczową rolę w uzyskaniu próbek żółwi, mówi.

Julianna Martin, doktorantka współpracująca z Fitakiem, pomogła przeanalizować i zebrać blisko 150 próbek skóry żółwi morskich.

„Pracuję w laboratorium, aby wyodrębnić DNA z próbek i użyć genomiki, aby zidentyfikować, jakie bakterie znajdują się w próbkach i które z nich są tymi, które wytwarzają magnes, których szukamy” – mówi. „Nie mogłabym zebrać próbek bez pomocy UCF Marine Turtle Research Group. To był wysiłek zespołowy”.

Martin i naukowcy z grupy badawczej ds. żółwi morskich na Uniwersytecie Kalifornijskim w Florydzie (UCF) ostrożnie pobierają próbki łez miękkimi wacikami od samic składających jaja, które wchodzą w stan przypominający trans, składając jaja, oraz od młodych osobników w lagunie Indian River.

Jak mówi Martin, żółwie produkują duże, lepkie łzy, gdy znajdują się na lądzie, aby utrzymać wilgoć w ich oczach. Zebranie ich zajmuje im około 30 sekund.

„Zaczęliśmy od kanalików łzowych, ponieważ są one powiązane z nerwami, które są potencjalnie powiązane ze zmysłem magnetycznym zwierząt” – mówi. „Biologicznie ma sens, aby tam zajrzeć i łatwo jest zebrać łzy żółwia morskiego”.

Martin jest zadowolona z postępów, jakie dotychczas osiągnięto, ale ma nadzieję, że dynamika badań pozwoli im dojść do bardziej ostatecznych wniosków.

„Te badania były naprawdę ekscytujące” – mówi. „Nikt nie szukał ich specjalnie u żółwi morskich. Interesuje mnie, skąd się wzięły i jakie gatunki bakterii wytwarzających magnesy występują u każdego gatunku żółwia morskiego. To jeszcze daleka droga, ale na razie pracujemy nad opisem: „czy one tam są?” i „skąd się biorą?”

Fitak uważa, że ​​możliwość dzielenia się unikalnym odkryciem bakterii magnetycznych wspomagających zwierzęta w nawigacji jest naprawdę niezwykła.

„To, co jest ekscytujące, to po prostu możliwość powiedzenia ludziom, że na świecie istnieją bakterie, które wytwarzają magnesy” – mówi. „Ludzie są oszołomieni i byłoby niesamowite, gdyby zwierzęta rzeczywiście używały tych magnetycznych bakterii do nawigacji”.

Fitak zachęca naukowców zainteresowanych badaniem bakterii magnetycznych do przeanalizowania zebranych przez niego danych.

Wszystkie próbki żółwi morskich pobrano na podstawie zezwoleń na gatunki chronione UCF MTRG (MTP-231, MTP-171 i NMFS 26268)

Kwalifikacje badacza

Fitak jest adiunktem w Katedrze Biologii na Wydziale Nauk Ścisłych UCF. Uzyskał doktorat z genetyki na University of Arizona i licencjat z genetyki molekularnej na Ohio State University. Przed dołączeniem do UCF w 2019 r. pracował jako badacz podoktorancki w Institute for Population Genetics w Wiedniu w Austrii i na Duke University. Jest członkiem klastra badawczego UCF Genomics and Bioinformatics.

Martin jest doktorantką biologii na UCF, która pragnie kontynuować badania genetyczne na uniwersytecie. Uzyskała tytuł licencjata w St. Mary’s College of Maryland i pracowała w American Genome Center na Uniformed Services University.