Tim naučnika predvođen istraživačima u Bigelov Laboratoriji za nauku o okeanu razvio je inovativnu metodu za povezivanje genetike i funkcije pojedinačnih mikroba koji žive bez kiseonika duboko ispod površine Zemlje. Merenje oba ova atributa – i, što je još važnije, njihovo povezivanje – dugo je predstavljalo izazov u mikrobiologiji, ali je ključno za razumevanje uloge mikrobnih zajednica u globalnim procesima kao što je ciklus ugljenika.
Novi pristup, razvijen u Centru za jednoćelijsku genomiku Laboratorije Bigelov, omogućio je istraživačima da otkriju da je jedna vrsta bakterije koja konzumira sulfat ne samo najrasprostranjenija već i najaktivniji organizam u vodonosnom sloju podzemne vode ispod Doline smrti, skoro pola milje ispod. površina.
Nalazi, objavljeni u Proceedings of the National Academi of Sciences, pokazuju kako ova metoda može biti moćno sredstvo za merenje koliko su različiti organizmi aktivni u ovim ekstremnim okruženjima.
„Ranije smo morali da pretpostavimo da sve ćelije rade istom brzinom, ali sada možemo da vidimo da postoji širok spektar nivoa aktivnosti između pojedinačnih članova mikrobnih zajednica“, rekao je naučnik istraživanja i vodeći autor u radu Melodi. Lindzi. „To nam pomaže da razumemo za šta su ove mikrobne zajednice sposobne i kako to može uticati na globalne biogeohemijske cikluse.“
Nedavna studija je deo većeg projekta koji povezuje genetski kod mikroba – nacrt onoga za šta su sposobni – sa onim što zapravo rade u bilo kom trenutku.
Projekat „Genomi do fenomena“ je zajednički poduhvat između laboratorije Bigelov, Instituta za istraživanje pustinje i Univerziteta u Nju Hempširu. Koristi nedavna dostignuća u jednoćelijskom genetskom sekvenciranju sa kreativnim pristupom primenom protočne citometrije da proceni stope procesa, kao što je disanje, koji se dešavaju u tim ćelijama.
Protočna citometrija, metoda za analizu pojedinačnih mikroba životne sredine koja je prilagođena u laboratoriji Bigelov za biomedicinske nauke, omogućila je istraživačima da brzo razvrstaju žive mikrobe u uzorcima vode iz vodonosnika. Ti mikrobi su obojeni specijalno dizajniranim jedinjenjem koje svetli pod laserom protočne citometrije kada se određene hemijske reakcije dešavaju unutar ćelije.
Odnos između toga koliko ćelija fluorescira pod laserom i brzine tih reakcija je eksperimentalno razrađen sa laboratorijskim kulturama ćelija od strane studenata stažista u laboratoriji Bigelov, a zatim primenjen na uzorke iz Doline smrti.
Kada su aktivne ćelije izmerene i izolovane, tim je sekvencirao njihove individualne genome. Istraživači su takođe koristili meta-transkriptomiku, metod za određivanje koji se geni aktivno eksprimiraju, i radioizotopske markere, tradicionalniju metodu za merenje aktivnosti unutar mikrobne zajednice. Ovo je urađeno kako bi se „dvostruko proverili“ njihovi rezultati i kako bi se dobilo još više informacija o vezama između onoga za šta su ovi mikrobi genetski sposobni i onoga što zapravo rade.
Centar za jednoćelijsku genomiku je jedina analitička ustanova na svetu koja nudi ovu novu tehniku istraživačima.
„Ova studija je bila uzbudljiva prilika za naš istraživački tim i SCGC da pomognu u poboljšanju našeg razumevanja ogromnih, zagonetnih mikrobnih ekosistema pod zemljom“, rekao je viši naučnik laboratorije Bigelov Ramunas Stepanauskas, direktor SCGC-a i glavni istraživač projekta.
Ova nova studija se zasniva na prvoj demonstraciji ovog pristupa za kvantifikaciju aktivnosti pojedinačnih ćelija. Krajem 2022. godine, tim je objavio nalaze o mikrobima u morskoj vodi, pokazujući da je mali deo mikroorganizama odgovoran za potrošnju većine kiseonika u okeanu.
Ovim novim dokumentom, tim proširuje tu metodu kako bi pokazao da se može koristiti u okruženjima niske biomase sa mikrobima koji se ne oslanjaju na kiseonik. U uzorcima uzetim iz podzemnog vodonosnog sloja u Kaliforniji, na primer, naučnici su procenili da postoje stotine ćelija po mililitru vode, u poređenju sa milionima ćelija u tipičnom mililitru površinske vode.
„Počeli smo sa organizmima koji udišu kiseonik u okeanu jer su malo aktivniji, malo lakši za sortiranje i lakši za uzgoj u laboratoriji“, rekla je Lindzi. „Ali aerobno disanje je samo jedan proces koji je moguć u mikrobiologiji, tako da smo želeli da se proširimo dalje od toga.“
Rezultati su potvrdili da je bakterija Candidatus Desulforudis audakviator bila ne samo najrasprostranjeniji mikrob u ovoj sredini, već i najaktivniji, redukujući sulfat za energiju. Ukupne stope aktivnosti koje je tim merio bile su niske u poređenju sa uzorcima morske vode iz prethodne studije, ali su postojale velike razlike u tome koliko su aktivni pojedinačni mikrobi.
Istraživački tim sada radi na primeni svoje metode za merenje drugih anaerobnih reakcija, kao što je smanjenje nitrata, i na nova okruženja, uključujući sedimente duž obale Mejna. Srodni projekat takođe omogućava Lindzi i njenim kolegama da testiraju metod u dubokoj podzemnoj površini ispod okeana.
„Trenutno dobijamo sva ta merenja u tačkama širom sveta, i ona nam pomažu da bolje razumemo šta mikrobi nameravaju, ali moramo to da povećamo“, rekla je Lindzi. „Dakle, razmišljamo o tome kako da primenimo ovu metodu na novim mestima, čak i potencijalno na drugim planetama, na proširene načine.“
