By 
Команда вчених під керівництвом дослідників Лабораторії наук про океан Бігелоу розробила інноваційний метод зв’язку генетики та функціонування окремих мікробів, які живуть без кисню глибоко під поверхнею Землі. Вимірювання обох цих атрибутів — і, що важливіше, пов’язування їх разом — довгий час було проблемою в мікробіології, але має вирішальне значення для розуміння ролі мікробних спільнот у глобальних процесах, таких як вуглецевий цикл.
Новий підхід, розроблений у Центрі одноклітинної геномики лабораторії Бігелоу, дозволив дослідникам виявити, що один вид бактерій, що споживають сульфат, був не лише найпоширенішим, але й найактивнішим організмом у водоносному шарі ґрунтових вод під Долиною Смерті, майже на півмилі нижче. поверхня. Висновки, опубліковані в Proceedings of the National Academy of Sciences , показують, як цей метод може бути потужним інструментом для вимірювання активності різних організмів у цих екстремальних середовищах.
Уявлення про динаміку мікробного співтовариства
«Раніше нам доводилося припускати, що всі клітини функціонують з однаковою швидкістю, але тепер ми бачимо, що існує широкий діапазон рівнів активності між окремими членами мікробних спільнот», — сказав дослідник і провідний автор статті Melody. Ліндсей. «Це допомагає нам зрозуміти, на що здатні ці мікробні спільноти і як це може вплинути на глобальні біогеохімічні цикли».
Нещодавнє дослідження є частиною більшого проекту, який пов’язує генетичний код мікробів — схему того, на що вони здатні — з тим, що вони насправді роблять у будь-який момент.
Методологічні досягнення
Проект «Від геномів до феноменів», який фінансується програмою EPSCoR NSF, є спільним підприємством лабораторії Бігелоу, Інституту дослідження пустелі та Університету Нью-Гемпшира. Він використовує останні досягнення в одноклітинному генетичному секвенуванні з творчим підходом до застосування проточної цитометрії для оцінки швидкості процесів, таких як дихання, що відбуваються в цих клітинах.
Проточна цитометрія, метод аналізу окремих мікробів навколишнього середовища, який був адаптований у лабораторії Бігелоу з біомедичних наук, дозволив дослідникам швидко сортувати живі мікроби у зразках води водоносного горизонту. Ці мікроби були пофарбовані спеціально розробленою сполукою, яка світиться під лазером проточної цитометрії, коли в клітині відбуваються певні хімічні реакції. Співвідношення між інтенсивністю флуоресценції клітин під дією лазера та швидкістю цих реакцій було досліджено експериментально на культурах клітин, вирощених у лабораторії, студентами-практикантами лабораторії Бігелоу, а потім застосовано до зразків із Долини Смерті.
Після того, як активні клітини були виміряні та виділені, команда секвенувала їхні індивідуальні геноми. Дослідники також використовували мета-транскриптоміку, метод для визначення того, які гени активно експресуються, і радіоізотопні індикатори, більш традиційний метод для вимірювання активності в мікробній спільноті. Це було зроблено як для того, щоб «подвійно перевірити» їхні результати, так і для того, щоб отримати ще більше інформації про зв’язки між тим, на що ці мікроби генетично здатні, і тим, що вони насправді роблять.
Центр одноклітинної геноміки – єдиний аналітичний центр у світі, який пропонує дослідникам цю нову техніку.
«Це дослідження стало чудовою можливістю для нашої дослідницької групи та SCGC допомогти покращити наше розуміння величезних, загадкових мікробних екосистем під землею», — сказав старший науковий співробітник лабораторії Бігелоу Рамунас Степанаускас, директор SCGC та головний дослідник проекту.
Це нове дослідження базується на першій демонстрації цього підходу для кількісного визначення активності окремих клітин. Наприкінці 2022 року команда опублікувала результати дослідження мікробів у морській воді, показуючи, що невелика частка мікроорганізмів відповідає за споживання більшої частини кисню в океані. У цій новій статті команда розширює цей метод, щоб показати, що його можна використовувати в середовищах з низькою біомасою з мікробами, які не залежать від кисню. У зразках, взятих із підповерхневого водоносного горизонту в Каліфорнії, наприклад, вчені підрахували, що там були сотні клітин на мілілітр води, порівняно з мільйонами клітин у типовому мілілітрі поверхневої води.
«Ми почали з організмів, що дихають киснем в океані, тому що вони трохи активніші, їх легше сортувати та легше вирощувати в лабораторії», — сказала Ліндсей. «Але аеробне дихання — це лише один процес, можливий у мікробіології, тому ми хотіли вийти за межі цього».
Розширення сфери мікробних досліджень
Результати підтвердили, що бактерія Candidatus Desulforudis audaxviator була не тільки найпоширенішим мікробом у цьому середовищі, але й найактивнішою, відновлюючи сульфат для отримання енергії. Загальні показники активності, які виміряла команда, були низькими порівняно зі зразками морської води з попереднього дослідження, але були великі відмінності між активністю окремих мікробів.
Дослідницька група зараз працює над застосуванням свого методу для вимірювання інших анаеробних реакцій, таких як зменшення нітратів, і до нових середовищ, включаючи відкладення вздовж узбережжя Мен. Пов’язаний проект, що фінансується NASA, також дає Ліндсі та її колегам можливість випробувати метод у глибоких глибинах під океаном.
«Зараз ми проводимо всі ці точкові вимірювання по всьому світу, і вони дійсно допомагають нам краще зрозуміти, що задумали мікроби, але нам потрібно збільшити масштаб», — сказала Ліндсей. «Тож ми думаємо про те, як застосувати цей метод у нових місцях, навіть потенційно на інших планетах, розширеними способами».
Comments