Когда вы слышите о биологических процессах, влияющих на климат и окружающую среду, таких как фиксация углерода или переработка азота, легко думать о них как об абстрактных и непостижимо крупномасштабных явлениях. Тем не менее, части этих общепланетарных процессов на самом деле управляются осязаемыми действиями организмов на всех уровнях жизни, начиная с мельчайших: микроорганизмов, живущих в воздухе, почве и воде.
Итак, если вы хотите понять, как экосистема - будь то тропический лес, сельскохозяйственная зона или водораздел - будет справляться с естественными и антропогенными изменениями, вам нужно понять, что микробы в этом сообществе до. Но как вы исследуете роли, которые играют различные группы существ, если вы даже не можете увидеть их без микроскопа?
Лучший способ сделать это - изучить их гены, и исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) разработали новую методику анализа ДНК, которая выявляет очень интересные и ранее трудно изучаемые, аспект генома микробного сообщества.
Как описано в журнале mBio, команда под руководством Айндрила Мукхопадхьяй оптимизировала существующие методы выделения плазмид - небольших пакетов ДНК, которые позволяют микроорганизмам, таким как бактерии, быстро приобретать и обмениваться генами. Часто эти молекулы ДНК, которые отделены от хромосом, кодируют функции, которые могут дать преимущество в выживании в определенных ситуациях.
«Когда вы хотите узнать о микробном сообществе, сосредоточив внимание конкретно на их плазмидах, вы получите представление о наборе возможностей, которые сообщество хочет сохранить мобильным, возможно, потому, что они нужны периодически», - сказал Мухопадхьяй, старший научный сотрудник отдела биологических систем и инженерии лаборатории Беркли. И поскольку коллекция микробных сообществ основанных на плазмидах генов, удачно называемая плазмидом, изменяется в ответ на эволюционное давление гораздо быстрее, чем хромосомные гены, изучение этого объединенного пула генетической информации помогает ученым составить яркую картину окружающей среды после того момента в время.
«Изучать плазмиды - это все равно, что заглядывать в чей-то рюкзак, чтобы увидеть, что он держит под рукой, чтобы использовать его самому и потенциально поделиться с другим человеком», - уточнил Мукхопадхьяй. «Скажем, вы заглядываете внутрь и находите зонт. Может быть, в это время не идет дождь, но зонт предполагает, что дождь идет время от времени."
Существующие методы секвенирования и анализа ДНК, однако, затрудняют отделение плазмидома от обширной библиотеки хромосомного генетического кода, присутствующего в образце микробиома. Чтобы облегчить эту задачу, команда разработала метод обнаружения плазмид разного размера в бактериальных сообществах разной плотности, особенно в средах с очень низкой плотностью, таких как грунтовые воды..
После уточнения своего подхода ученые применили его к образцам подземных вод из разных скважин в Центре полевых исследований Ок-Ридж (ORFRC), месте, загрязненном тяжелыми металлами. Ученые, работающие с ENIGMA - многопрофильным исследовательским консорциумом, занимающимся углублением нашего фундаментального понимания сложных микробных сообществ, - проводят множество исследований, используя уникальный сайт ORFRC.
Исследователи были заинтригованы, обнаружив, что эти образцы содержали сотни плазмид, некоторые из которых были самыми большими плазмидами, о которых сообщалось в любом исследовании плазмидомов. Кроме того, они обнаружили, что, хотя типы и численность бактерий сильно различались в образцах подземных вод, плазмиды часто были одинаковыми. Интересно, что плазмиды, обнаруживаемые с наибольшей частотой в образцах, кодируют гены устойчивости к ртути, однако в исследованных грунтовых водах не было обнаружено заметного загрязнения ртутью. Наличие этих генов отражает историю этого места и показывает, что его микроскопические обитатели готовы к повторному столкновению с ртутью.
Двигаясь вперед, команда надеется, что другие ученые будут использовать их подход, детали которого открыто изложены в статье, чтобы получить новое представление о множестве интересных и влиятельных микробиомов на Земле, в том числе внутри наши тела.
"По мере того, как мы изучаем все больше и больше микробиомов, мы получаем ключевые знания, которые в конечном итоге могут быть использованы для манипулирования сообществами с какой-то пользой, например, для очистки окружающей среды, очистки сточных вод или улучшения нашего здоровья. Другие проекты, финансируемые из федерального бюджета, работают над достижением этих целей, и наше открытие может быть ценным для их работы», - сказал Мухопадхьяй. «В настоящее время большинство этих организмов сильно отличаются от лабораторных организмов, функции и генетика которых хорошо задокументированы, справиться с новым видом - большая задача."
«Но эти мобильные генетические пакеты представляют собой способ естественного манипулирования этими организмами», - добавила Анкита Котари, научный сотрудник отдела биологических систем и инженерии и ведущий автор статьи. «Итак, если вы хотите исследовать экосистему на молекулярном уровне и вам нужны генетические инструменты для этого, ответ может быть уже в плазмидоме».