Полные геномы из отдельных клеток пока остаются недостижимыми

Исследователи из Объединенного института генома Министерства энергетики США (DOE JGI) оценили состояние области одноклеточной геномики и то, насколько близко ученые подошли к возможности восстановления генома отдельной клетки.

Одноклеточная геномика, как альтернативный метод изучения микробных сообществ, позволяет исследователям связать функцию с филогенией без необходимости культивирования микроорганизмов. Уже сейчас частично восстановленные микробные геномы из отдельных клеток предоставляют данные о метаболизме и подсказки о популяционной генетике.

Поскольку большинство микроорганизмов в, на и вокруг растений не открыты или не культивируемы, одноклеточная геномика дает исследователям возможность изучать микробные сообщества в их естественной среде. Эта технология позволяет изучать функцию отдельного микроба в сообществе и улучшает процесс классификации генетических взаимосвязей. Тем не менее, единый стандартный протокол для получения генома отдельной клетки из образца окружающей среды еще не разработан.

Хотя исследователям из DOE JGI удалось успешно получить полный геном из одной бактериальной клетки, этот результат остается исключением, а не нормой. В обзорной статье, опубликованной 8 января 2015 года в Frontiers in Microbiology, команда под руководством главы микробной программы Таньи Войке подробно описала различные трудности, начиная с подготовки образца и выделения отдельных клеток для изучения. Процесс изоляции одной клетки обычно требует использования проточной цитометрии (FACS), и исследователи сталкиваются с клетками, которые слишком велики или малы, либо слишком прикреплены к другим клеткам или частицам.

После того как отдельные клетки изолированы, а ДНК экстрагирована и амплифицирована для секвенирования, оказывается, что качество восстановленного генома может сильно варьироваться. Команда провела эксперимент, сгенерировав одноклеточные геномы трех различных грамотрицательных бактерий – Pedobacter heparinus DSM 2366, Escherichia coli K12-MG1655 и Meiothermus ruber DSM 1279, – для которых в DOE JGI уже были полные последовательности геномов. Они обнаружили, что медианное количество восстановленного генома для штамма E. coli составило 93%, а для штамма M. ruber – только 49%. Исследователи предположили ряд причин такого различия: от большей устойчивости M. ruber к процессу разрушения клеточной стенки для экстракции ДНК по сравнению с другими бактериями до ограниченного доступа к геному.

«На данный момент нам придется довольствоваться частичными геномами от части клеток, содержащихся в образце окружающей среды, и восстановление генома каждой клетки из сложной среды все еще остается мечтой, а не реальностью», – заключили исследователи. – «Однако эти частичные одноклеточные геномы явно продвигают микробную геномику в новую, неизведанную область, позволяя обнаруживать неожиданные метаболические особенности, давая представление о популяционной генетике и улучшая филогению микробов».