Ученые разработали метод для функциональной идентификации и секвенирования почвенных бактерий по одной клетке

Исследователи из Центра по изучению одиночных клеток (Single-Cell Center) Циндаоского института биоэнергетики и биопроцессных технологий (QIBEBT) Китайской академии наук разработали метод сортировки и секвенирования генома бактерий в почве по одной клетке, одновременно определяя их функцию в почвенной среде.

Их исследование было опубликовано в журнале mSystems 27 мая.

Почва является домом для обширного и сложного микробиома, который, возможно, обладает самой высокой геномной разнородностью и самым широким спектром метаболической активности клеток на Земле. Эта метаболическая активность, в свою очередь, может лечь в основу промышленного производства множества ценных соединений.

До сих пор возможность определить, «кто что делает» в почвенном микробиоме с разрешением одной клетки была крайне сложной, поскольку обычно приходилось анализировать одновременно огромное количество клеток — обычно миллионы.

В 2020 году исследователи из QIBEBT Single-Cell Center разработали метод профилирования бактерий под названием Raman-Activated Gravity-driven single-cell Encapsulation and Sequencing (RAGE sequencing). Эта техника секвенирования использует лазерные «пинцеты» и свойства гравитации для анализа бактериальных клеток по одной. Форма и структура бактерии затем исследуются с помощью «рамановской спектроскопии» — метода анализа, который использует взаимодействие света с химическими связями в молекуле для идентификации.

Теперь они развили свою технику RAGE sequencing в новый научный инструмент, названный Raman-activated Cell Sorter-Sequencer (RACS-Seq). Это первый в мире инструмент, который может точно определить «кто что делает» с разрешением ровно в одну клетку в сложной экосистеме. И они применили его к почвенным бактериям.

Рамановский спектр одиночной клетки дает внутренний биохимический «отпечаток пальца», который можно использовать как индикатор ее метаболической активности. Когда этот спектр одиночной клетки (SCRS) сочетается с использованием изотопных меток, участвующих в этой активности, метод может показать количество химического вещества из окружающей среды, которое клетка поглощает.

Изотопы часто используются для отслеживания химических процессов. Например, дейтерий — это изотоп водорода с одним нейтроном (у обычного водорода ноль нейтронов), и он содержится в тяжелой воде (молекулы воды, в которых обычный водород заменен дейтерием: D₂O вместо H₂O).

Кормя бактерии тяжелой водой, можно отслеживать общую метаболическую активность клеток с помощью рамановских спектров. Метод может обнаруживать не только поглощение D₂O, но и различных изотопов углерода или азота. Это может даже выявить конкретный клеточный профиль синтеза биологических молекул.

Этот метаболический трекинг затем можно связать с помощью техники RAGE с отдельными клетками, чей геном можно секвенировать.

«Это должно позволить исследователям "добывать" почву для поиска бактерий, которые занимаются производством определенных каротиноидов, липидов, полисахаридов, белков и даже антибиотиков», — сказала ЦЗИН Сяоянь, специалист по микробиомам из QIBEBT Single-Cell Center и ведущий автор статьи.

Исследователи теперь хотят дальше улучшить пропускную способность своего метода (в настоящее время несколько клеток в минуту), чтобы ускорить и полностью автоматизировать процесс.

«Наша конечная цель — продолжать оптимизировать инструмент RACS-Seq, чтобы он стал универсальным и высокофункциональным инструментом для точного исследования целевых клеток или интересующих метаболических активностей, — добавил СЮЙ Цзянь, автор-корреспондент статьи и директор QIBEBT Single-Cell Center. — И не только в почве, но и в любой другой сложной природной экосистеме».