В одной капле морской воды может содержаться большое количество океанских микробов со всего мира, что открывает новое понимание экологии, эволюции и биотехнологического потенциала глобального микробиома. Новая публикация в журнале Cell сообщает об ошеломляющей степени биологического разнообразия, которое бросает вызов современным определениям микробных видов, освещает причины проблем в метагеномных исследованиях и может даже способствовать пониманию того, как морские микробы реагируют на изменение климата.
«В этом беспрецедентном проекте используется подход к работе с большими данными для чтения большой рандомизированной выборки геномов из глобального микробиома, которую мы затем исследуем, чтобы ответить на многие типы вопросов», - сказал Рамунас Степанаускас, старший научный сотрудник Bigelow. Лаборатория наук об океане и старший автор статьи.«Результаты нашей команды обеспечивают более глубокое понимание микробного разнообразия в океане, новое понимание источников энергии и возможностей биосинтеза, а также новые инструменты для изучения микробов во всех средах».
Исследовательская группа проанализировала более 12 000 отдельных микробных геномов для создания базы данных Global Ocean Reference Genomes Tropics (GORG-Tropics). К их удивлению, каждая проанализированная клетка была генетически уникальной. На самом деле лишь немногие из них были достаточно похожи, чтобы их можно было считать одним и тем же видом.
Этот новый взгляд на микробное разнообразие включает в себя как локальные, так и глобальные масштабы. Команда использовала передовые технологии в Центре геномики одиночных клеток лаборатории Бигелоу для анализа образцов, собранных в тропиках и субтропиках - двух третях мирового океана, - чтобы узнать о глобальных закономерностях распределения. Они также изучили местное микробное разнообразие, прочитав чертежи более 6000 отдельных клеток, взятых из одной чайной ложки воды Саргассова моря.
Исследователи обнаружили, что клетки в этом образце содержали как минимум пятую часть генов, которые распространены в других частях тропического и субтропического океана. Это открытие указывает на то, что океанские течения эффективно смешивают микробную жизнь по всему миру, перенося микробы повсюду, создавая разнообразные сообщества. Он также подчеркивает возможности геномики отдельных клеток для изучения сложности природных микробиомов с беспрецедентной детализацией.
«Подобно тому, как мы думаем о Нью-Йорке как о плавильном котле, каждая чайная ложка океана - это плавильный котел микробов», - сказал Степанаускас. «Океан огромен, и удивительно, насколько сложные экологические и эволюционные процессы протекают в каждой крошечной капле».
Недавние прорывы в геномных технологиях теперь позволяют ученым быстро генерировать и анализировать огромные объемы генетической информации. Инициатива GORG секвенировала больше микробов, чем все исследования до 2013 года вместе взятые, что привело к многочисленным и разнообразным открытиям. Профессор Массачусетского технологического института Пенни Чизхолм, научный сотрудник Пол Берубе и научный сотрудник Стивен Биллер помогли собрать полевые образцы и использовали данные, чтобы получить представление о Prochlorococcus, самом распространенном фотосинтезирующем организме в океане. Команда Степанаускаса обнаружила в генетическом коде группы протеобактерий сюрприз - неизвестную ранее способность к фотосинтезу.
«Генетическая информация может многому нас научить в области экологии, и это могут быть фотосинтезирующие организмы, которые раньше оставались незамеченными», - сказала Мария Пачиадаки, бывший научный сотрудник Лаборатории Бигелоу, а ныне ассистент научного сотрудника в Океанографическом институте Вудс-Хоул. и ведущий автор статьи. «Если эксперименты подтвердят то, что предполагают гены, это важная микробная группа, которую следует учитывать при изучении углерода в океане».
Команда также работала с Джимом Ла Клером и Майклом Беркартом из Калифорнийского университета в Сан-Диего, чтобы идентифицировать микробы, которые могли бы питать новые приложения биотехнологии. Записывая, какие химические вещества могут производить определенные микробы, база данных GORG-Tropics предоставляет дорожную карту, помогающую другим исследователям выбирать, на какие микробные группы ориентироваться при разработке новых антибиотиков или противораковых препаратов.
Исследователи продолжат изучение базы данных GORG-Tropics для получения ответов на различные вопросы в будущих исследованиях. Степанаускас считает, что он может многое рассказать о том, как функционирует океан, как исследователи могут лучше всего использовать геномные инструменты и, возможно, даже о том, как ученые должны переопределить микробные виды. Они также надеются распространить этот проект на остальную часть океана, включая умеренные и полярные районы, а также глубокие воды, в которых обитают самые разные микроорганизмы.
«Одной из наших главных целей инициативы GORG было создание мощного ресурса для сообщества исследователей морской микробиологии», - сказала Джулия Браун, биоинформатик из лаборатории Бигелоу и автор исследования. «Мы надеемся, что ученые смогут использовать этот набор данных в последующих исследованиях, чтобы ответить на вопросы, о которых еще никто даже не задумывался."