Как масштабная геномика одиночных клеток дополняет метагеномные исследования

Исследователи продемонстрировали ценность проведения масштабной геномики одиночных клеток, собрав почти 500 отдельных клеток из одного образца осадка горячего источника с низким биоразнообразием. Их работа показала, что геномика одиночных клеток может значительно дополнить другие распространенные методы секвенирования, не требующие культивирования, включая ампликонное и метагеномное секвенирование. Например, они показали, что состав сообщества был схож при разных подходах к секвенированию, что виды-специфичные наборы одиночных клеток содержали мобильные генетические элементы, которые были упущены в парных геномах, собранных из метагеномов (MAGs), и что доминирующие популяции различались по степени внутривидовой рекомбинации, что указывает на вариации в потоке генов между членами анализируемого сообщества.

Хотя микробы помогают регулировать биогеохимические циклы планеты и потенциально полезны в областях от сельского хозяйства до биотехнологии и медицины, подавляющее большинство из них остается неизученным. В последние годы достижения в технологиях секвенирования и биоинформатических инструментах помогли расшифровать геномы десятков тысяч ранее неизвестных и некультивируемых микробов с помощью метагеномики. Такие методы используют биоинформатические инструменты для извлечения фрагментов микробных геномов непосредственно из данных экологического секвенирования, собирая каждый геном из больших смесей геномных последовательностей. Дополнительным подходом является геномика одиночных клеток, где клетки из образцов окружающей среды сначала разделяются, а их геномы затем амплифицируются и секвенируются индивидуально, что дает ученым возможность применять подходы популяционной геномики к близкородственным клеткам, взятым непосредственно из среды.

Дьюар-Крик — удаленный горячий источник в глубине территории Британской Колумбии (Purcell Wilderness Conservancy Provincial Park of British Columbia, BC Parks). Температура в этих источниках может достигать 80°C (~190°F), и тем не менее здесь процветают микробы. Сообщества в этой экстремальной среде часто менее разнообразны, чем в более умеренных экосистемах. Несколько лет назад из микробных и метагеномных наборов данных, полученных из нескольких горячих источников, включая Дьюар-Крик, была идентифицирована кандидатная бактериальная линия.

Продолжая изучение этой уникальной среды, исследователи из Университета Калгари и Объединенного института геномики Министерства энергетики США (DOE JGI) применили секвенирование одиночных клеток для оценки разнообразия внутри и между микробными популяциями. Работа опубликована в The ISME Journal.

Члены лаборатории Данфилда собрали образцы из этого горячего источника. Один образец был использован для создания парного набора ампликонных данных (секвенирование гена 16S рРНК), дробового метагенома и набора данных одиночных клеток, включающего почти 500 геномов отдельных клеток. Часть работы с одиночными клетками была выполнена Даниэль Гудо и Рексом Малмстромом из группы микромасштабных приложений JGI. Клетки были случайным образом отсортированы, их геномы амплифицированы, затем секвенированы и собраны. Роберт Бауэрс, ученый JGI из программы по микробиологии, возглавил геномный анализ для сравнения полученных наборов данных, подчеркнув полезность секвенирования одиночных клеток для оценки вариаций внутри природных микробных популяций.

Каждый из трех подходов к секвенированию дал в целом схожий профиль сообщества. Но каждый подход демонстрирует свою полную ценность на разных масштабах. Ампликонное секвенирование обычно используется для оценки колебаний микробного разнообразия на тысячах образцов. Метод метагеномики в настоящее время применяется к десяткам или сотням образцов, в то время как подходы с одиночными клетками обычно использовались как дополнение к секвенированию изолятов, то есть когда целевые клетки невозможно культивировать в лаборатории.

Уникальность этого конкретного исследования заключается в применении геномики одиночных клеток ко всему сообществу. Благодаря низкому микробному разнообразию исследуемого горячего источника набор данных почти из 500 одиночных клеток охватил разнообразие большинства таксонов в образце. Более того, три наиболее многочисленные линии были представлены достаточным количеством геномов одиночных клеток, чтобы провести анализ гетерогенности внутри и между популяциями, сравнивая ATGC-состав геномов каждой отдельной клетки. Команда показала, что, хотя общее нуклеотидное разнообразие было схожим у доминирующих линий, каждая микробная группа демонстрировала совершенно разные профили рекомбинации. Это аналогично структуре сетей социальных медиа, где одна группа может иметь относительно ограниченный круг связей, а другая может демонстрировать мало ограничений для взаимодействий и новых контактов, тем самым разделяя больше идей, подобно обмену генами внутри высоко рекомбинирующей микробной популяции. Эта работа демонстрирует полезность секвенирования одиночных клеток, поскольку мониторинг гетерогенности на уровне популяции некультивируемых микробов даст исследователям возможность улавливать мелкомасштабные вариации внутри популяций, которые являются предшественниками диверсификации на уровне штаммов и видообразования микробов.