Секвенирование ДНК некультивируемых организмов с помощью нового подхода к отдельным клеткам

Ученые из Объединенного института генома Министерства энергетики США (DOE JGI) и Лаборатории Бигелоу по океанологическим наукам собрали высококачественные, свободные от загрязнений черновые геномы некультивируемых биодеградирующих микроорганизмов, используя новый подход секвенирования генома единичной клетки. Это исследование, опубликованное 23 апреля в журнале PLoS One, предлагает новый метод доступа к информации, заложенной в геномах, представляющих интерес, с использованием лишь минимальных количеств ДНК.

По оценкам, около 99.9% микробов на планете не поддаются стандартным методам культивирования. Подход одноклеточной геномики позволяет выделить одну клетку из сложной среды, высвободить её ДНК и ферментативно создать миллионы копий этого генома для последующего секвенирования.

В данном исследовании были секвенированы геномы двух некультивируемых флавобактерий — морских микроорганизмов, известных своей способностью к деградации биополимеров. Образец морской воды был взят в гавани Бутбэй (Мэн, США). Ученых интересовали гены, кодирующие протеородопсины.

"Протеородопсины позволяют некоторым микробным клеткам использовать энергию солнечного света в процессе, отличном от фотосинтеза", — отметил старший автор Рамунас Степанаускас. С помощью технологии секвенирования единичных клеток можно определить, какие именно микроорганизмы несут эти гены.

Методология:

1. Сортировка клеток: С помощью флуоресцентно-активированной клеточной сортировки (FACS) из образца среды были выделены отдельные бактериальные клетки.
2. ‎Лизис и амплификация: Единичные клетки лизировали, а затем с помощью множественной амплификации со смещением (MDA) создали миллионы копий их геномов для секвенирования.
3. Результат: Полученные последовательности геномов флавобактерий оказались завершены на 80–90%, что достаточно для доказательства эффективности метода.

Этот подход можно применять к организмам из различных сред, включая экстремальные (горячие источники, загрязненная почва) и микробиом человека, поскольку для декодирования генома нужна всего одна клетка, что обходит необходимость культивирования.

Ключевой задачей для совершенствования метода остается этап лизиса, так как многие микробы не лизируются щелочными растворами.

Способность секвенировать ДНК из одной некультивируемой клетки была впервые задокументирована в 2005 году, но завершенный геном таким методом еще не получен. "Если одна копия генома остается неповрежденной, теоретически вы сможете завершить сборку генома из одной клетки", — сказала Таня Войке.

В настоящее время метод применяется в других проектах, например, для изучения микробных сообществ в рубце коровы с целью идентификации ферментов, разлагающих целлюлозу для производства биотоплива следующего поколения.