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.

Выводы, опубликованные в журнале Труды Национальной академии наукпокажите, как этот метод может стать мощным инструментом для измерения активности различных организмов 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 «Мелодия». Линдси. «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 этой 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».