We wnętrzu krowiego żwacza odkryto tysiące bakterii i innych mikroorganizmów, które odpowiadają za wydajność mleczną i mięsną bydła. To pierwsze tego typu swoiste kompendium mieszkańców żołądka przeżuwaczy. Opisano około 5000 nowych szczepów drobnoustrojów i 2 000 nieznanych wcześniej nauce gatunków zamieszkujących żwacz. Naukowcy ze Szkocji mają nadzieję, że przyczyni się to do lepszego wykorzystania możliwości zwierząt i zwiększenia opłacalności produkcji mleka oraz mięsa.
Tajemnice żwacza wciąż do odkrycia
Przeżuwacze zapewniają wysokowartościowe pożywienie w postaci mleka i mięsa miliardom ludzi na całym świecie. Udaje im się to dzięki posiadaniu „fabryki”, wyspecjalizowanego żołądka przystosowanego do rozkładu złożonych cukrów roślinnych, z których strawieniem nie radzi sobie większość zwierząt, w tym ludzie. I to jednak nie przychodzi przeżuwaczom łatwo – w rozkładzie zielonego pokarmu w żwaczu pomagają im bakterie i pierwotniaki zamieszkujące żołądek.
Substancje uwalniane przez mikroogranizmy są wchłaniane przez zwierzę i dostarczają mu energii i składników odżywczych, odpowiadają za stan jego zdrowia i zdolności do wyprodukowania cennego mleka i mięsa. Część zbędnych produktów wydalana jest w postaci gazów, m.in. niepokojącego w kontekście globalnego ocieplenia metanu.
To, co możemy uzyskać od przeżuwaczy zależy od zdrowia ich żołądka i zasiedlających go organizmów. I chociaż to prawda znana nauce już od bardzo dawna, krowi żwacz nadal skrywa wiele tajemnic przed próbującymi go najwydajniej wykorzystać rolnikami.
Dlaczego niemal identyczne zwierzęta, żywione tą samą paszą, produkują czasami inne ilości mleka? Skąd biorą się różnice w wydajności krów tej samej rasy? Wydaje się, że dostarczamy najlepszych możliwych surowców dla fabryk w krowich żołądkach, a efekt mimo wszystko nie zawsze jest przewidywalny.
Najnowsze badanie naukowców ze Szkocji pozwala nam zrozumieć dlaczego. Badacze ze Scotland’s Rural College, University of Edinburgh oraz University of Aberdeen przebadali zawartość żwacza setek krów i zidentyfikowali w nim tysiące bakterii oraz archeontów, jednokomórkowych organizmów uznawanych za starsze ewolucyjnie od bakterii. Znaczenia wielu z odkrytych mikroorganizmów nadal jeszcze nie znamy.
Najnowsze technologie by poznać żołądek krowy
Zespół naukowców ze Szkocji swoje pierwsze badania dotyczące krowiego mikrobiomu podjął w 2018 roku. Zanalizował wtedy DNA pobrane z żołądków 42 krów i opisał wiele gatunków bakterii oraz archeonów. Wcześniej mieszanina mikroorganizmów zamieszkujących krowi żwacz nie była zbyt dobrze poznana. Naukowcy nie byli w stanie powiązać ich materiału genetycznego z procesem trawienia zachodzącym w żołądku, zdrowiem przeżuwaczy i emisją gazów generowanych podczas rozkładu pokarmu.
W kolejnym badaniu zespół wykorzystał znacznie większą próbę i przebadał zawartość żwacza 283 krów. W analizie DNA mikroorganizmów znajdujących się w ich wnętrzu pomogły badaczom najnowsze technologie pozwalające nie tylko na identyfikację poszczególnych bakterii, ale również na całościowe odczytanie sekwencji genetycznej każdego ze znalezionych drobnoustrojów.
Kolejnym etapem była dokładana analiza ogromnej bazy danych i uporządkowanie uzyskanych wyników. Efekt żmudnej pracy jest naprawdę imponujący. Badacze zidentyfikowali niemal 5000 nowych szczepów drobnoustrojów i 2 000 nieznanych wcześniej nauce gatunków.
Liczba odkrytych mikroorganizmów przekroczyła oczekiwania samych badaczy. Kompendium utworzone przez naukowców to jednak nie wyłącznie katolog odmian bakterii i archeonów. Dzięki dokładnemu odczytowi DNA każdego z organizmu poznali również sekwencje setek tysięcy enzymów wykorzystywanych przez poszczególne gatunki i szczepy.
To dzięki nim rozkładają pokarm zjadany przez krowę, dostarczają jej energii i subtancji odżywczych. Każdy z nich na trochę inny sposób, wpływając na kierunek przemian i w efekcie na wydajność mleczną i mięsną zwierząt. Znamy już więc nie tylko nowych mieszkańców żwacza – ale również ich potencjalną rolę odgrywaną w zachodzących tam procesach. W przyszłości dzięki tej wiedzy możliwe stanie się lepsze wykorzystanie możliwości zwierząt, zadbanie o ich zdrowie oraz ilość i jakość wytwarzanych przez nie produktów.
Badacze ze Szkocji zauważają również inne potencjalne znaczenie swojego odkrycia – część z opisanych enzymów może zostać wykorzystana przemysłowo do produkcji biopaliwa. Zastosowanie znajdzie również z pewnością w wielu procesach biotechnologicznych.
Uda się zmniejszyć emisję metanu?
W kontekście postępujących zmian klimatycznych coraz częściej naukowcy interesują się zwierzętami gospodarskimi nie wyłącznie w kontekście korzyści jakie nam przynoszą, ale również zagrożenia dla środowiska, które generują. Ogromne objętości metanu produkowanego przez krowy to jedno z najczęściej wymienianych. Niektórzy badacze rozwiązania tego problemu szukają w kreatywnych wynalazkach, takich jak przypominających plecak zbiornikach mających na bieżąco zbierać metan wydobywający się z tylnej części krowy...
Inni rozwiązania poszukują w modyfikacji mikroflory żwacza i zmniejszeniu produkcji gazu cieplarnianego. Dokładne poznanie mikrobiomu krowiego żołądka to z pewnością już duży krok.
Zdaniem szkockich naukowców największy udział w produkcji metanu mogą mieć wspomniane wcześniej archeony, przypominające bakterie organizmy, które jednak bakteriami nie są.
Archeony dzięki niezwykłym przystosowaniom radzą sobie w ekstremalnych środowiskach. Pierwsze z nich prawdopodobnie zamieszkiwały Ziemię już wtedy, gdy warunki na niej panujące były zabójcze dla wszystkich innych istot żywych. Badania przeprowadzone na owcach pokazały, że różnorodność archeonów jest ściśle powiązana z produkcją metanu w żwaczu. Nie jest to jednak prosta zależność – nie wiemy nadal, czy ich obecność zwiększa produkcję gazu czy ją zmniejsza. Z pewnością występują też różnice wpływu pomiędzy poszczególnymi gatunkami i szczepami.
Czas wyhodować mieszkańców żwacza
Badacze ze Szkocji podkreślają, że aby lepiej poznać znaczenie poszczególnych bakterii i archeonów, konieczne jest założenie ich laboratoryjnych hodowli. Aby możliwe było zaprojektowanie manipulacji mikrobiomem żwacza, np. poprzez zadawanie odpowiedniej paszy czy preparatów probiotycznych, niezbędne jest dokładne zrozumienie biologii poszczególnych mikroorganizmów, substancji, jakich potrzebują i sposobu, w jaki je wykorzystują. Skomplikowane będzie również poznanie i zrozumienie relacji pomiędzy tysiącami odkrytych organizmów.
Nie da się jednak ukryć, że ważny krok już za nami. Sekwencjonowanie i składanie genomów drobnoustrojów żwacza to punkt wyjścia do zrozumienia procesów zachodzących w żwaczu i lepszego nimi manipulowania z korzyścią dla człowieka.
Źródła:
Stewart, R. D., Auffret, M. D., Warr, A., Walker, A. W., Roehe, R., & Watson, M. (2019). Compendium of 4,941 rumen metagenome-assembled genomes for rumen microbiome biology and enzyme discovery. Nature biotechnology, 37(8), 953-961.
Dairy Global
