Использование крошечных организмов для раскрытия больших загадок окружающей среды: новый подход к изучению микробных генов позволит понять, как экосистемы реагируют на изменения окружающей среды и климата

Итак, если вы хотите понять, как экосистема – будь то тропический лес, сельскохозяйственная зона или водораздел – будет жить перед лицом естественных и антропогенных изменений, вам необходимо понять, какие микробы в этом сообществе до. Но как вы исследуете роли, которые играет разнообразная группа существ, если вы даже не можете увидеть их без микроскопа??

Лучший способ сделать это – взглянуть на их гены, и исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) разработали новую технику анализа ДНК, которая выявляет очень интересный и ранее трудный для изучения аспект микробного сообщества. геном.
Как описано в журнале mBio, команда под руководством Аиндрилы Мукхопадхьяя оптимизировала существующие методы выделения плазмид – небольших пакетов ДНК, которые позволяют микроорганизмам, таким как бактерии, быстро приобретать и обмениваться генами. Часто эти молекулы ДНК, которые отделены от хромосом, кодируют функции, которые могут дать преимущество выживания в определенных ситуациях.
«Когда вы хотите узнать о сообществе микробов, сосредоточение внимания именно на их плазмидах позволяет вам получить представление о наборе возможностей, которые сообщество хочет сохранить мобильным, возможно потому, что они необходимы периодически», – сказал Мухопадхьяй, старший научный сотрудник из Беркли.

Отдел биологических систем и инженерии лаборатории. И поскольку коллекция основанных на плазмидах генов микробного сообщества, метко названная плазмидомом, изменяется в ответ на эволюционное давление намного быстрее, чем хромосомные гены, рассмотрение этого объединенного пула генетической информации помогает ученым построить яркую картину окружающей среды за пределами этого момента. время.

«Изучение плазмидов похоже на то, как заглянуть внутрь чьего-то рюкзака, чтобы увидеть, что они хранят под рукой, чтобы использовать их и потенциально поделиться с другим человеком», – пояснил Мухопадхьяй. "Скажи, что ты заглянешь внутрь и найдешь зонтик. Возможно, в это время дождь не идет, но зонт предполагает, что время от времени идет дождь."

Однако существующие методы секвенирования и анализа ДНК затрудняют отделение плазмидома от обширной библиотеки хромосомного генетического кода, присутствующей в образце микробиома. Чтобы упростить эту задачу, команда разработала метод обнаружения плазмид разных размеров в бактериальных сообществах разной плотности, особенно в средах с очень низкой плотностью, таких как грунтовые воды.

Уточнив свой подход, ученые применили его к образцам подземных вод из разных скважин в Центре полевых исследований Ок-Ридж (ORFRC), на территории, загрязненной тяжелыми металлами. Ученые, работающие с ENIGMA – исследовательским консорциумом, состоящим из нескольких институтов, направленным на углубление нашего фундаментального понимания сложных микробных сообществ – проводят множество исследований с использованием уникального сайта ORFRC.

Исследователи были заинтригованы, обнаружив, что эти образцы содержат сотни плазмид, некоторые из которых были крупнейшими плазмидами, о которых сообщалось в любом исследовании плазмидома. Кроме того, они обнаружили, что, хотя типы и численность бактерий сильно колебались в образцах подземных вод, плазмиды часто были похожи. Интересно, что плазмиды, обнаруженные с наибольшей частотой в образцах, кодировали гены устойчивости к ртути, однако в исследованных грунтовых водах не было обнаружено загрязнения ртутью. Присутствие этих генов отражает историю этого места и показывает, что его микроскопические жители готовы к повторному обнаружению ртути.

В дальнейшем команда надеется, что другие ученые воспользуются их подходом, детали которого открыто представлены в статье, чтобы получить новое представление о множестве интересных и влиятельных микробиомов на Земле, в том числе находящихся внутри наших тел.
«По мере того, как мы изучаем все больше и больше микробиомов, мы получаем ключевые знания, которые в конечном итоге могут быть использованы для манипулирования сообществами с целью получения некоторой выгоды, такой как очистка окружающей среды, очистка сточных вод или улучшение нашего здоровья. Другие проекты, финансируемые из федерального бюджета, работают над достижением этих целей, и наше открытие может оказаться ценным для их работы », – сказал Мухопадхьяй. "В настоящее время большинство этих организмов сильно отличаются от лабораторных организмов, чьи функции и генетика хорошо задокументированы, и получение генетической информации о новом виде является большой задачей."
«Но эти мобильные генетические пакеты представляют собой способ естественного управления этими организмами», – добавила Анкита Котари, научный сотрудник отдела биологических систем и инженерии и ведущий автор статьи. "Итак, если вы хотите исследовать экосистему на молекулярном уровне, и для этого вам нужны генетические инструменты, ответ может быть уже в плазмидоме."
Эта работа стала результатом тесного сотрудничества исследователей из лаборатории Беркли и групп из ORFRC и Базы знаний по системной биологии Министерства энергетики США (KBase).

Другими авторами этого исследования являются Ю-Вей Ву, Джон-Марк Чандония, Маримикель Чарриер, Лара Раджив, Андреа Роча, Доминик Джойнер, Терри Хейзен и Стивен Сингер. Работа проводилась в рамках ENIGMA, мультиинституционального исследовательского консорциума, занимающегося изучением воздействия микробных сообществ на их экосистемы.

ENIGMA возглавляется лабораторией Беркли и финансируется Управлением науки Министерства энергетики США.

OKA-MOS.RU