Новый метод микроразделения расширяет возможности изучения вирусов в окружающей среде

Новый метод значительно превосходит существующий подход к генетическому секвенированию отдельных клеток, позволяя учёным быстрее, эффективнее и экономичнее считывать геномы отдельных клеток и вирусных частиц в окружающей среде.

В новом исследовании, опубликованном в Nature Microbiology, учёные из Bigelow Laboratory for Ocean Sciences и Atrandi Biosciences представили первое применение этого подхода в экологических исследованиях, назвав его environmental microcompartment genomics.

Секвенируя микробиом образца поверхностной морской воды из залива Мэн, исследователи продемонстрировали преимущества метода по сравнению с традиционными процессами, особенно для изучения разнообразного и сложного мира морских вирусов.

«Эта работа показывает, как мы можем увеличить пропускную способность геномики отдельных частиц, повышая не только количество, но и качество данных», — сказала Алайна Вайнхаймер, постдок и ведущий автор статьи.

Традиционный метод, революционизированный Single Cell Genomics Center (SCGC) Bigelow Laboratory, включает сортировку всех отдельных частиц в образце в отдельные лунки микропланшета. Это позволяет обрабатывать 384 частицы за один запуск.

Новый подход увеличивает эту пропускную способность на порядок. В исследовании учёные получили геномные последовательности от более 2000 частиц всего из 300 нанолитров (менее миллионной доли литра) морской воды.

Метод микроразделения основан на последних достижениях в микрофлюидных технологиях. Образец разделяется на тысячи крошечных полупроницаемых пузырьков, каждый из которых содержит триллионную долю литра воды. Отдельные клетки или частицы случайным образом распределяются по индивидуальным отсекам, а затем с помощью реагентов создаётся множество копий их ДНК.

Эта амплифицированная ДНК помечается уникальным штрих-кодом. Когда пузырьки растворяются и весь материал объединяется для секвенирования, этот штрих-код используется для сборки соответствующих последовательностей в полный геном.

Хотя в данном случае метод был применён к морской воде, Вайнхаймер отметила, что предварительные тесты показывают, что процесс также работает с образцами осадков и почвы, которые сложно изучать методами, плохо разделяющими клетки и небиологические частицы.

В отличие от стандартного метода секвенирования отдельных клеток, этот подход не использует проточную цитометрию. Это означает потерю некоторых описательных данных, которые даёт цитометрия, но преимущество в том, что не требуется предварительной сортировки по размеру, поэтому можно секвенировать частицу любого размера.

«Этот подход исключает любой отбор по размеру, поэтому мы можем одновременно обрабатывать всё: от крупных микробов до мельчайших вирусов или даже свободно плавающей ДНК», — сказала Вайнхаймер.

Исследование подчёркивает некоторые преимущества нового подхода по сравнению с существующими методами одноклеточной геномики и метагеномики.

Хотя все протестированные методы дали сходную общую картину состава микробного сообщества (что подтверждает работоспособность нового метода), подход с микроразделением дал уникальные результаты. Например, методы с использованием проточной цитометрии, по-видимому, улавливали больше крупных вирусов, тогда как новый подход захватывал вирусы всех размеров, присутствующих в образце.

Кроме того, подход с микроразделением обеспечил более полные и качественные геномные последовательности по сравнению с широко используемыми метагеномными методами.

Учёные также обнаружили, что многие идентифицированные с помощью нового подхода вирусные геномы принадлежат к семейству Naomiviridae. Эти вирусы были культивированы лишь недавно и имеют настолько необычную структуру ДНК, что могут быть исключены при использовании других методов.

«Эта группа вирусов была самой многочисленной в нашем наборе данных, и мы нашли доказательства того, что она может инфицировать самые распространённые бактерии в океане, но мы полностью пропустили бы её другими методами», — сказала Вайнхаймер.