Давным-давно, во времена европейского Возрождения, Леонардо да Винчи писал, что мы, люди, «знаем больше о движении небесных тел, чем о почве под ногами». Спустя пятьсот лет и бесчисленные технологические и научные достижения его мнение остается верным.
Но это может скоро измениться.
В отчете, опубликованном в Nature Communications, группа ученых из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) подробно описала первое в истории успешное использование метода под названием BONCAT для выделения активных микробов, присутствующих в образце почва - достижение может вызвать волну новых исследований.
«Почвы, вероятно, являются самыми разнообразными микробными сообществами на планете», - сказала Эстель Курадо, первый автор исследования. «В каждом грамме почвы есть миллиарды клеток десятков тысяч видов, которые вместе выполняют важные циклы питательных веществ Земли. Они составляют основу наземных экосистем, а здоровые почвенные микробиомы являются ключом к устойчивому сельскому хозяйству. Теперь у нас есть инструменты, чтобы увидеть, кто эти виды, но мы еще не знаем, как они делают то, что они делают. Это экспериментальное исследование показывает, что BONCAT является эффективным инструментом, который мы могли бы использовать для связи активных микробов с процессами окружающей среды."
В течение последних двух лет Курадо, ее соавторы и многие другие исследователи со всех концов США сотрудничали в научной области под руководством лаборатории Беркли под названием ENIGMA (для экосистем и сетей, интегрированных с генами и молекулярными Сборки), чтобы глубже изучить внутреннюю работу почвенных микробиомов. Проекты ENIGMA имеют высокий приоритет для биологов, ученых-энергетиков и ученых Земли не только потому, что они помогают заполнить пробелы в наших знаниях о том, как функционирует окружающая среда, но и потому, что эти фундаментальные идеи могут помочь прикладным ученым более эффективно использовать микробиомы для повышения засухоустойчивости сельскохозяйственных культур., удалять загрязняющие вещества из окружающей среды и устойчиво производить топливо и другие биопродукты.
Однако из-за того, что большинство почвенных микробов не растут в культурах в лаборатории, и из-за их поистине ошеломляющего изобилия в их естественной среде обитания, выяснить, какие микробные виды делают то, что невероятно сложно.«Существует много препятствий для измерения микробной активности и взаимодействия», - сказал Трент Нортен, ведущий автор и директор по биотехнологии ENIGMA. «Например, почвенные микробиомы, которые удаляют отходы из подземных водоемов, находятся на глубине сотен футов. А в некоторых экосистемах до 95% микробов неактивны в любой момент времени».
Поскольку прямое наблюдение исключено, микробиологи обычно собирают образцы окружающей среды и полагаются на косвенные подходы, такие как секвенирование ДНК, для характеристики сообществ. Однако большинство широко используемых методов не позволяют отличить активные микробы от тех, которые находятся в состоянии покоя, или от множества свободно плавающих фрагментов ДНК, обнаруженных в почве и отложениях.
BONCAT, сокращение от Bioorthogonal Non-Canonical Amino Acid Tagged, был изобретен генетиками Калифорнийского технологического института в 2006 году как способ выделения новых белков в клетках. В 2014 году Рекс Мальмстрем, Даниэль Гудо и другие в U. Объединенный институт генома (JGI) Министерства энергетики США (DOE), пользовательский центр Управления науки, управляемый лабораторией Беркли, сотрудничал с лабораторией Виктории Орфан в Калифорнийском технологическом институте, чтобы адаптировать BONCAT в инструмент, который мог бы идентифицировать активные симбиотические кластеры от десятков до сотен. морских микробов в океанских отложениях. После дальнейшего усовершенствования их подхода, названного BONCAT Fluorescent Activated Cell Sorting (BONCAT+FACS), они смогли обнаружить отдельные активные микробы.
Как следует из названия, BONCAT+FACS позволяет ученым сортировать одноклеточные организмы по наличию или отсутствию флуоресцентных меченых молекул, которые связываются с модифицированной версией аминокислоты метионина. Когда жидкость, содержащая модифицированный метионин, вводится в образец микробов, только те из них, которые создают новые белки - признак активности, - включают модифицированный метионин в клетки.
В дополнение к тому, что он гораздо более рационален и надежен, чем предыдущие методы идентификации микробов, весь процесс занимает всего несколько часов, то есть он может помечать активные клетки, даже если они не реплицируются.
Учитывая, что некоторые почвенные микробы печально известны своим медленным ростом, многие ученые сразу же заинтересовались применением BONCAT+FACS к земным почвам. После трех месяцев экспериментов и оптимизации команда исследователей ENIGMA и JGI разработала протокол, который работает безотказно и, самое главное, дает очень воспроизводимые результаты.
«BONCAT+FACS - это мощный инструмент, который предоставляет более совершенный метод для определения того, какие микробы активны в сообществе в любое конкретное время», - сказал Мальмстром, который также является автором текущего исследования. «Это также дает нам возможность экспериментировать, чтобы оценить, какие клетки активны в условиях А, а какие становятся активными или неактивными при переключении в условия Б».
Двигаясь вперед, BONCAT+FACS станет возможностью, доступной для исследователей, желающих сотрудничать через пользовательские программы JGI. Нортен и Мальмстром уже получили несколько предложений от исследовательских групп, желающих начать работу с этим инструментом, включая группы из лаборатории Беркли, которые надеются использовать BONCAT для оценки того, как изменения окружающей среды стимулируют группы микробов.«С помощью BONCAT мы сможем мгновенно получать снимки того, как микробиомы реагируют как на нормальные колебания среды обитания, так и на экстремальные климатические явления, такие как засухи и наводнения, которые становятся все более и более частыми», - сказал Нортен.
По словам Курадо, команда ожидает, что этот подход станет катализатором множества других важных и интригующих направлений исследований, таких как улучшение методов ведения сельского хозяйства, оценка чувствительности к антибиотикам некультивируемых микробов и изучение совершенно неизвестной роли Candidatus Dormibacteraeota. - тип почвенных бактерий, встречающийся по всему миру и большую часть времени пребывающий в состоянии покоя.
Размышляя о том, как он и его коллеги достигли цели, которую многие преследовали, Мальмстрем упомянул разнообразие ученых в ENIGMA и JGI. «Это настоящий пример командной науки, потому что ни у одного человека не было и никогда не будет опыта, чтобы сделать все это».