科学者は、沿岸堆積物の動的な微生物の生命を発見します

Bigelow Laboratory Scientistsは、個々の微生物の活動を独自の遺伝コードにリンクするための刺激的な方法を進めており、堆積物へのアプローチの最初の適用を提供しています。彼らの調査結果は最近公開されました ISMEジャーナル。

この方法は、単一の細胞ゲノミクスとフローサイトメトリーを組み合わせて、異なる分類群の個々の呼吸率を定量化します。メイン州の海岸の低酸素堆積物が、急速な温度変化、潮などからの混乱を定期的に対象とする環境で繁栄するように見える多様な微生物群集をホストしていることを明らかにしました。

「海洋堆積物は、活性化学サイクリングにとって重要な生態系であり、地球上で見られる最も微生物の多様なコミュニティのいくつかはそこに住んでいます」と、Bigelow Laboratoryの研究科学者であるMelody Lindsay氏は述べています。 「単一細胞呼吸速度を使用して微生物活動を照らす方法を前進させるのは、自然で魅力的な場所でした。」

この論文では、Bigelow Laboratoryの単一細胞ゲノミクスセンターと水生細胞測定センターの研究者と、野外サンプリングと実験室の実験を支援したいくつかの学部インターンを特集しています。

浅い沿岸堆積物は、陸から海へのエネルギーと栄養素の流れを制御するのに役立ちます。酸素は表面からわずか数ミリメートル下に浸透するため、この環境に住んでいる微生物は、酸素を呼吸すること、または「呼吸」以外の化学プロセスに依存する傾向があります。しかし、沈降や穴を掘る動物のような乱れは、定期的に酸素と有機物を地下環境に導入します。チームは、この混合と身体的混乱の影響を理解することを目指しました。

「私たちは、海洋堆積物微生物の豊富さと多様性が上の水柱よりもはるかに大きいことを知っていますが、実際の機能と活動についてははるかに少ないことを知っています」と、この論文の共著者である上級研究科学者のDavid Emersonは述べています。 「この方法は、海洋環境の広大で非常に研究されている部分についての新しい知識を明らかにする強力な方法を提供します。」

科学者たちは伝統的に、微生物群集全体の化学代謝回転の割合やその他のプロセスの割合を測定してきましたが、この大きな努力は、個々のレベルでの活動の理解と、そのゲノムの可能性とどのようにリンクしているかを革新することです。

革新的な新しい方法は、国立科学財団からの600万ドルの助成金からBigelow Laboratoryによって開発されました。 2022年、研究者は最初にこの方法を地表海に適用し、微生物のごく一部がほとんどの酸素をどのように消費するかを示しました。昨年、彼らはデスバレーの奥深くにある帯水層のサンプルでそれをテストし、酸素が限られている低ビオマス環境での方法の適用性を示しています。

現在の研究では、チームは再びフローサイトメトリーを使用し、レドックスセンサーグリーンと呼ばれる化学物質を染色しました。レーザーの下で染色された細胞が照らす強度は、それらの細胞が呼吸する速度と相関しています。次に、個々の細胞のDNAを配列決定して、その活動率とそれがプログラムされていることとの関係を理解しました。この組み合わせの手法により、研究者は微生物の生物多様性のスナップショットを取得し、どの種が最も豊富で活発であるかを決定することができます。

「シングルセルゲノミクスセンターは、生物学の究極の解像度での微生物ゲノムと活動に関する大規模な研究が可能な世界初の施設です。 「このユニークなテクノロジーにより、これらの重要な生態学的プロセスと、非常に豊富でありながら露出していない環境で本当に驚くべき生物学的多様性に光を当てることができたことはエキサイティングです。」

プロジェクトの新しい側面である混乱に適応する微生物の能力をテストするために、チームはさまざまな量の酸素とラミナリンを追加しました。

「現実世界の関連性を持つ方法でシステムを混乱させることにより、たとえば堆積物に埋葬するワームが泥フラットの底に酸素や海藻を分解する効果を判断することができます」とリンゼイは言いました。

調査結果は、クロロフェクソタ門の硫酸塩還元剤が堆積物で最も活性な細胞であったことを示していますが、最も豊富ではありません。研究者たちはまた、酸素とラミナリンの濃度さえも追加することで呼吸を刺激することを発見しました。クロロフェクソタ細胞は代謝的に多様であり、酸素と他の化学プロセスの両方を使用することができます。リンゼイは、「遺伝的柔軟性」が示唆していると、なぜ彼らが支配しているのかを説明するかもしれません。

「私たちは酸素がすべてを毒するという仮説を立てましたが、細胞はそれに耐え、それを利用することさえ良いことがわかりました」とリンゼイは言いました。 「この気まぐれな環境に住んでいる微生物コミュニティは、当初考えられていたよりも回復力があることを示唆しています。」

この調査結果は、これらの極端な環境に住んでいる微生物の信じられないほどの範囲を強調しています。その多様性を尋問するための細胞ごとのアプローチの価値を強調しています。

そのために、チームは現在、メイン州の沿岸堆積物の理解を拡大するために取り組んでいます。 Bigelow Laboratoryからの「Kickstarter」資金を使用して、同じ実験設計を使用して同じ研究サイトからより深いサンプルを調べて、微生物群集が深さとともにどのように変化するかを観察し始めました。

同時に、彼らはますます極端な環境の方法を改良し続けており、それを大西洋中部の尾根から1 km以上下にある国際海洋発見プログラムから収集した堆積物に適用しています。

「水生細胞測定センターと単一細胞ゲノミクスセンターのセンターによって有効になっているこのシングルセルアプローチの利点は、細胞が非常に少ないため、測定を行うことが不可能な低バイオマス環境をターゲットにできることです」とLindsay氏は述べています。 「私の夢は、NASAのEuropa Landerのようなミッションでフローサイトメーターを取得することです。そのため、この手法を使用して、他の世界で可能な代謝活動を検出できます。」