Naukowcy opracowali przełomową metodę powiązania genetyki z aktywnością drobnoustrojów beztlenowych, ujawniając kluczowe informacje na temat społeczności drobnoustrojów głęboko pod powierzchnią Ziemi. Podejście to, ukazujące dominującą bakterię w warstwie wodonośnej Doliny Śmierci, otwiera nowe możliwości zrozumienia roli drobnoustrojów w procesach globalnych.

Zespół naukowców kierowany przez badaczy z Bigelow Laboratory for Ocean Sciences opracował innowacyjną metodę powiązania genetyki i funkcji poszczególnych drobnoustrojów żyjących bez tlenu głęboko pod powierzchnią Ziemi.

Pomiar obu tych cech – i, co ważniejsze, powiązanie ich ze sobą – od dawna stanowi wyzwanie w mikrobiologii, ale ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia roli społeczności drobnoustrojów w procesach globalnych, takich jak obieg węgla.

Nowe podejście, opracowane w Centrum Genomiki Pojedynczych Komórek w Bigelow Laboratory, umożliwiło naukowcom odkrycie tego gatunek bakterii zużywających siarczany był nie tylko najliczniejszym, ale także najbardziej aktywnym organizmem w warstwie wodonośnej wód gruntowych pod Doliną Śmierci, prawie pół mili pod powierzchnią. Wyniki opublikowane w czasopiśmie „ Postępowanie Narodowej Akademii Naukpokaż, jak ta metoda może być potężnym narzędziem do pomiaru aktywności różnych organizmów w tych ekstremalnych środowiskach.

Wgląd w dynamikę społeczności drobnoustrojów

„Wcześniej musieliśmy zakładać, że wszystkie komórki działały w tym samym tempie, ale teraz możemy zobaczyć, że istnieje szeroki zakres poziomów aktywności pomiędzy poszczególnymi członkami społeczności drobnoustrojów” – powiedział naukowiec i główny autor artykułu Melody Lindsay. „To pomaga nam zrozumieć, do czego zdolne są te społeczności drobnoustrojów i jak może to wpłynąć na globalne cykle biogeochemiczne”.

Zespół Desert Research Institute pobierający próbki z odwiertu w Dolinie Śmierci. Źródło: Duane Moser, Instytut Badań nad Pustynią

Niedawne badanie stanowi część większego projektu łączącego kod genetyczny drobnoustrojów – plan ich możliwości – z tym, co faktycznie robią w danym momencie.

Postęp metodologiczny

Finansowany przez program EPSCoR NSF projekt „Genomes to Phenomes” jest wspólnym przedsięwzięciem Bigelow Laboratory, Desert Research Institute i Uniwersytetu New Hampshire. Wykorzystuje najnowsze osiągnięcia w sekwencjonowaniu genetycznym pojedynczych komórek z kreatywnym podejściem, stosując cytometrię przepływową do oszacowania szybkości procesów, takich jak oddychanie, zachodzących w tych komórkach.

Cytometria przepływowa, metoda analizy poszczególnych drobnoustrojów środowiskowych, zaadaptowana w laboratorium Bigelow z nauk biomedycznych, umożliwiła naukowcom szybkie sortowanie żywych drobnoustrojów w próbkach wody z warstwy wodonośnej. Mikroorganizmy te zabarwiono specjalnie zaprojektowanym związkiem, który świeci pod wpływem lasera cytometrii przepływowej, gdy w komórce zachodzą określone reakcje chemiczne. Zależność pomiędzy poziomem fluorescencji komórki pod wpływem lasera a szybkością tych reakcji została określona eksperymentalnie na hodowlach komórek hodowanych w laboratorium przez studentów stażystów w Bigelow Laboratory, a następnie zastosowana do próbek z Doliny Śmierci.

Po zmierzeniu i wyizolowaniu aktywnych komórek zespół zsekwencjonował ich indywidualne genomy. Naukowcy wykorzystali także metatranskryptomikę, metodę określania, które geny ulegają aktywnej ekspresji, oraz znaczniki radioizotopowe, bardziej tradycyjną metodę pomiaru aktywności w społeczności drobnoustrojów. Dokonano tego zarówno w celu „podwójnego sprawdzenia” wyników, jak i uzyskania jeszcze większej ilości informacji na temat powiązań między tym, do czego te drobnoustroje są genetycznie zdolne, a tym, co faktycznie robią.

Centrum Genomiki Pojedynczych Komórek jest jedyną placówką analityczną na świecie oferującą badaczom tę nową technikę.

„To badanie było ekscytującą okazją dla naszego zespołu badawczego i SCGC, aby pomóc w lepszym zrozumieniu ogromnych, zagadkowych ekosystemów drobnoustrojów pod ziemią” – powiedział Ramunas Stepanauskas, starszy pracownik naukowy Bigelow Laboratory, dyrektor SCGC i główny badacz projektu.

To nowe badanie opiera się na pierwszej demonstracji tego podejścia do ilościowego określania aktywności poszczególnych komórek. Pod koniec 2022 r. zespół opublikował ustalenia dotyczące drobnoustrojów w wodzie morskiej, z których wynika, że ​​niewielka część mikroorganizmów jest odpowiedzialna za zużywanie większości tlenu w oceanie. W nowym artykule zespół rozwija tę metodę, aby wykazać, że można ją stosować w środowiskach o niskiej biomasie, w których żyją mikroorganizmy niezależne od tlenu. Na przykład w próbkach pobranych z podpowierzchniowej warstwy wodonośnej w Kalifornii naukowcy oszacowali, że na mililitr wody znajdują się setki komórek, w porównaniu z milionami komórek w typowym mililitrze wody powierzchniowej.

„Zaczęliśmy od organizmów oddychających tlenem w oceanie, ponieważ są trochę bardziej aktywne, łatwiej je sortować i łatwiej hodować w laboratorium” – powiedziała Lindsay. „Ale oddychanie tlenowe to tylko jeden proces możliwy w mikrobiologii, dlatego chcieliśmy wyjść poza ten proces”.

Rozszerzanie zakresu badań mikrobiologicznych

Wyniki potwierdziły, że bakteria Kandydat Desulforudis audaxviator był nie tylko najliczniejszym drobnoustrojem w tym środowisku, ale także najbardziej aktywnym, redukującym siarczany energią. Ogólny wskaźnik aktywności zmierzony przez zespół był niski w porównaniu z próbkami wody morskiej z poprzedniego badania, ale istniały duże różnice między aktywnością poszczególnych drobnoustrojów.

Zespół badawczy pracuje obecnie nad zastosowaniem swojej metody do pomiaru innych reakcji beztlenowych, takich jak redukcja azotanów, oraz w nowych środowiskach, w tym w osadach wzdłuż wybrzeża stanu Maine. Powiązany projekt finansowany przez NASA umożliwia także Lindsay i jej współpracownikom przetestowanie metody w głębokich warstwach pod powierzchnią oceanu.

„W tej chwili wykonujemy wszystkie te pomiary punktowe na całym świecie i rzeczywiście pomagają nam one lepiej zrozumieć, czym zajmują się drobnoustroje, ale musimy je zwiększyć na większą skalę” – powiedziała Lindsay. „Dlatego zastanawiamy się, jak zastosować tę metodę w nowych miejscach, a nawet potencjalnie na innych planetach, w szerszy sposób”.

Odniesienie: „Współczynniki oddychania pojedynczych komórek określone dla gatunku ujawniają dominację redukcji siarczanów w głębokim kontynentalnym ekosystemie podpowierzchniowym” Melody R. Lindsay, Timothy D’Angelo, Jacob H. Munson-McGee, Alireza Saidi-Mehrabad, Molly Devlin, Julia McGonigle, Elizabeth Goodell, Melissa Herring, Laura C. Lubelczyk, Corianna Mascena, Julia M. Brown, Greg Gavelis, Jiarui Liu, DJ Yousavich, Scott D. Hamilton-Brehm, Brian P. Hedlund, Susan Lang, Tina Treude, Nicole J. Poulton, Ramunas Stepanauskas, Duane P. Moser, David Emerson i Beth N. Orcutt, 4 kwietnia 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2309636121