Новый метод раскрывает скрытую активность жизни под землей

Ученые из Лаборатории Бигелоу разработали инновационный метод, позволяющий связать генетику и функцию отдельных микробов, живущих без кислорода глубоко под поверхностью Земли. Измерение этих атрибутов и, что важнее, их взаимосвязи, долгое время было проблемой в микробиологии, но критически важно для понимания роли микробных сообществ в глобальных процессах, таких как круговорот углерода.

Новый подход, разработанный в Центре геномики одиночных клеток (Single Cell Genomics Center, SCGC) Лаборатории Бигелоу, позволил исследователям обнаружить, что один вид сульфатвосстанавливающих бактерий был не только самым многочисленным, но и самым активным организмом в водоносном горизонте под Долиной Смерти на глубине почти в полмили (~800 м).

Результаты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, демонстрируют, как этот метод может стать мощным инструментом для измерения активности разных организмов в экстремальных средах.

"Раньше нам приходилось предполагать, что все клетки работают с одинаковой скоростью, но теперь мы видим, что существует широкий диапазон уровней активности между отдельными членами микробных сообществ", — сказала ведущий автор исследования, научный сотрудник Мелоди Линдси.

Исследование является частью более крупного проекта «От геномов к феноменам» (Genomes to Phenomes), объединяющего Лабораторию Бигелоу, Институт пустынных исследований и Университет Нью-Гэмпшира. Он сочетает современные методы секвенирования генома одиночных клеток с креативным применением проточной цитометрии для оценки скорости процессов, таких как дыхание, внутри этих клеток.

Проточная цитометрия, метод анализа отдельных микробов из окружающей среды, адаптированный в Лаборатории Бигелоу из биомедицинских наук, позволила быстро отсортировать живые микроорганизмы в образцах воды из водоносного горизонта. Клетки окрашивали специально разработанным соединением, которое светится под лазером цитометра при протекании определенных химических реакций внутри клетки.

Соотношение между интенсивностью флуоресценции клетки и скоростью реакций было установлено экспериментально на лабораторных культурах клеток. После измерения и выделения активных клеток команда секвенировала их индивидуальные геномы. Исследователи также использовали метатранскриптомику (для определения активно экспрессируемых генов) и радиоизотопные трассеры (традиционный метод измерения активности в сообществе) для перепроверки результатов и получения дополнительной информации.

"Это исследование стало прекрасной возможностью для нашей команды и SCGC улучшить понимание огромных, загадочных подземных микробных экосистем", — сказал старший научный сотрудник лаборатории, директор SCGC и руководитель проекта Рамунас Степанаускас.

Данная работа развивает первую демонстрацию этого подхода, опубликованную в конце 2022 года, где метод был применен к микробам в морской воде. Новая статья показывает, что метод можно использовать в средах с низкой биомассой и для микробов, не использующих кислород (анаэробов). Например, в образцах из подземного водоносного горизонта в Калифорнии ученые оценили количество клеток в сотни на миллилитр воды, по сравнению с миллионами клеток в типичном миллилитре поверхностной воды.

Результаты подтвердили, что бактерия Candidatus Desulforudis audaxviator была не только самым многочисленным микробом в этой среде, но и самым активным, восстанавливающим сульфат для получения энергии. Общие измеренные скорости активности были низкими по сравнению с образцами морской воды из предыдущего исследования, но наблюдались большие различия в активности между отдельными микробами.

Сейчас команда работает над применением метода для измерения других анаэробных реакций (например, восстановления нитратов) и в новых средах, включая прибрежные осадки у побережья Мэна. Связанный проект также позволяет тестировать метод в глубоких недрах под океаном.

"Сейчас мы получаем точечные измерения по всему миру, и они помогают нам лучше понять, чем заняты микробы, но нам нужно масштабировать подход", — сказала Линдси. — "Мы думаем о том, как применять этот метод в новых местах, возможно, даже на других планетах".