Новый метод раскрывает скрытую активность жизни под землей
Группа ученых под руководством исследователей из Лаборатории наук об океане Бигелоу разработала инновационный метод, позволяющий связать генетику и функции отдельных микробов, живущих без кислорода глубоко под поверхностью Земли. Измерение обоих этих атрибутов — и, что более важно, их связь друг с другом — уже давно является проблемой в микробиологии, но имеет решающее значение для понимания роли микробных сообществ в глобальных процессах, таких как углеродный цикл.
Новый подход, разработанный в Центре геномики одиночных клеток лаборатории Бигелоу, позволил исследователям обнаружить, что один вид сульфат-потребляющих бактерий был не только самым многочисленным, но и самым активным организмом в водоносном горизонте подземных вод под Долиной Смерти, почти на полмили ниже. поверхность.
Результаты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, показывают, как этот метод может стать мощным инструментом для измерения того, насколько активны различные организмы в этих экстремальных условиях.
«Раньше нам приходилось предполагать, что все клетки работают с одинаковой скоростью, но теперь мы видим, что существует широкий диапазон уровней активности между отдельными членами микробных сообществ», — сказал научный сотрудник и ведущий автор статьи. «Это помогает нам понять, на что способны эти микробные сообщества и как это может повлиять на глобальные биогеохимические циклы».
Недавнее исследование является частью более крупного проекта, связывающего генетический код микробов (протокол того, на что они способны) с тем, что они на самом деле делают в любой данный момент.
Проект «Геномы в феномы» — это совместное предприятие лаборатории Бигелоу, Института исследования пустынь и Университета Нью-Гэмпшира. Он использует последние достижения в области генетического секвенирования отдельных клеток с творческим подходом, применяющим проточную цитометрию для оценки скорости процессов, таких как дыхание, происходящих внутри этих клеток.
Проточная цитометрия, метод анализа отдельных микробов окружающей среды, который был адаптирован в лаборатории Бигелоу из биомедицинских наук, позволил исследователям быстро отсортировать живые микробы в пробах воды водоносного горизонта. Эти микробы были окрашены специально разработанным соединением, которое загорается под лучами лазера проточной цитометрии, когда внутри клетки происходят определенные химические реакции .
Взаимосвязь между тем, насколько сильно клетки флуоресцируют под действием лазера, и скоростью этих реакций была установлена экспериментально на выращенных в лаборатории культурах клеток студентами-стажерами лаборатории Бигелоу, а затем применена к образцам из Долины Смерти.
После того как активные клетки были измерены и изолированы, команда секвенировала их отдельные геномы. Исследователи также использовали метатранскриптомику, метод определения того, какие гены активно экспрессируются, и радиоизотопные индикаторы, более традиционный метод измерения активности внутри микробного сообщества. Это было сделано как для того, чтобы «перепроверить» результаты, так и для того, чтобы получить еще больше информации о связях между тем, на что эти микробы генетически способны, и тем, что они на самом деле делают.
Центр геномики одиночных клеток — единственное аналитическое учреждение в мире, предлагающее исследователям эту новую технику.
«Это исследование стало прекрасной возможностью для нашей исследовательской группы и SCGC помочь улучшить наше понимание огромных загадочных подземных микробных экосистем», — сказал старший научный сотрудник лаборатории Бигелоу Рамунас Степанаускас, директор SCGC и главный исследователь проекта.
Это новое исследование основано на первой демонстрации этого подхода для количественной оценки активности отдельных клеток. В конце 2022 года команда опубликовала результаты исследования микробов в морской воде, показавшие, что небольшая часть микроорганизмов отвечает за потребление большей части кислорода в океане.
В своей новой статье команда расширяет этот метод, чтобы показать, что его можно использовать в средах с низкой биомассой и микробами, которые не зависят от кислорода. Например, в образцах, взятых из подземного водоносного горизонта в Калифорнии, ученые подсчитали, что в миллилитре воды содержатся сотни клеток по сравнению с миллионами клеток в типичном миллилитре поверхностной воды.
«Мы начали с организмов, дышащих кислородом, в океане, потому что они немного более активны, их немного легче сортировать и их легче выращивать в лаборатории», — сказал Линдси. «Но аэробное дыхание — это всего лишь один процесс, который возможен в микробиологии, поэтому мы хотели выйти за рамки этого процесса».
Результаты подтвердили, что бактерия Candidatus Desulforudis audaxviator была не только самым распространенным микробом в этой среде, но и самым активным, восстанавливающим сульфат для получения энергии. Общий уровень активности, измеренный командой, был низким по сравнению с образцами морской воды из предыдущего исследования, но существовали большие различия между активностью отдельных микробов.
В настоящее время исследовательская группа работает над применением своего метода для измерения других анаэробных реакций, таких как восстановление нитратов, и в новых средах, включая отложения вдоль побережья штата Мэн. Связанный с этим проект также позволяет Линдси и ее коллегам протестировать метод в глубоких недрах океана.
«Прямо сейчас мы получаем все эти точечные измерения по всему миру, и они действительно помогают нам лучше понять, чем занимаются микробы, но нам нужно масштабировать их», — сказал Линдси. «Итак, мы думаем о том, как применить этот метод в новых местах, даже потенциально на других планетах, в более широком смысле».
Обсудим?
Смотрите также:
