Новый метод культивирования позволяет получить полный геном из одной клетки
Новая методика генетического анализа, "гелевые микрокапли" (GMD), помогает учёным получать полные геномы из одной клетки. Это открывает путь к пониманию сложных взаимосвязей бактерий, вирусов и эукариот, которые формируют сообщества "микробиомов" в почве, организме человека и других природных средах.
Большинство типов бактерий невозможно вырастить в лаборатории в виде чистой, изолированной культуры из-за сложных взаимодействий, поддерживающих их рост. Это затрудняет исследования, так как идентификация генетического профиля одного организма не учитывает взаимосвязи, крайне важные для понимания роли и возможностей микроба в его конкретной среде.
Учёные из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе и Института Крейга Вентера в Сан-Диего совершили прорыв, позволяющий получить более полную картину генома сообщества организмов, используя полный геном из одной клетки.
Технология имеет потенциал для получения полных геномов из отдельных клеток традиционно некультивируемых видов. Используя GMD, научная группа создала десятки или сотни идентичных клеток из одной, сохраняя их изоляцию от остального сообщества, но позволяя им обмениваться сигналами с другими его членами.
Из смешанных бактериальных сообществ полости рта и кишечника человека исследователи захватили отдельные клетки в микроскопические GMD и инкубировали их в определённой питательной среде.
Характерные поры и каналы агарозных GMD позволяют питательным веществам, химическим сигналам и продуктам метаболизма перемещаться к живой клетке и от неё, как если бы она находилась в естественной среде. Захваченные одиночные клетки размножаются до микроколоний в сотни клеток, производя достаточное количество идентичных геномных шаблонов для завершения сборки нескольких геномов одного вида бактерий.
Завершив и сравнив геномные профили этих видов, исследователи обнаружили значительные вариации внутри геномов одного вида из полости рта, в то время как у видов из кишечника различий было мало. Эти находки показывают, насколько активно (или неактивно) бактерии рекомбинируют определённые сегменты ДНК друг с другом, и ставят под вопрос, как мы идентифицируем "вид", если что-то столь важное, как взаимодействие с соседями, может изменить его генетический профиль.
Получив многообещающие результаты этого исследования микробиома человека, команда начала использовать GMD для культивирования бактерий и архей в их естественных средах, таких как водно-болотные угодья. Цель — захватить известные, редкие и неуловимые виды, которые не растут в лабораторных условиях, и получить полные геномы этих новых видов, что может дать представление о жизненно важном вкладе бактерий и архей в локальную экологию и глобальное изменение климата.
"Мы продемонстрировали новый подход к полному секвенированию геномов микроорганизмов, обнаруженных в сложных сообществах", — заявил Арманд Дичоса.
Ранее получение полных геномов сообществ было недостижимой целью, поскольку ни одна из двух конкурирующих технологий — метагеномика по методу дробовика или секвенирование одиночных клеток — не могла восстановить почти полный геном одного организма в разнообразной выборке.
"Мы считаем, что использование GMD для секвенирования полных геномов из образцов окружающей среды показывает большие перспективы и впервые позволит создать высокопроизводительную технологию для изучения пангеномики сообществ", — сказал Клифф Хан.
Статья исследовательской группы "Nearly finished genomes produced using gel microdroplet culturing reveal substantial intraspecies genomic diversity within the human microbiome" опубликована в онлайн-выпуске журнала Genome Research от 14 марта.