Геномная структура микробных сообществ может предсказывать метаболическую активность
Исследование экологов из Чикагского университета показывает, что гены, присутствующие в микробном сообществе, могут предсказывать его динамическую метаболическую активность. Это имеет значение для понимания азотного цикла и других важных биогеохимических процессов.
Исследование, опубликованное 26 января 2022 года в журнале Cell, демонстрирует, что метаболические гены в сообществе могут предсказывать его динамическое поведение. Это открывает возможность:
- выводить динамику метаболитов из совокупного генного состава сообщества,
- проектировать микробные сообщества для конкретных функций,
- изучать, как эволюция генома влияет на метаболизм.
В природе бактерии существуют в экологических сообществах, взаимодействуя друг с другом и конкурируя за питательные вещества. Однако сложность этих сообществ создаёт проблему для учёных.
Как связать гены с коллективным поведением?
Ведущий автор исследования Карна Говда и его коллеги вдохновились работами, указывающими на статистическую связь между метаболитами в среде и генным составом сообщества. Чтобы установить чёткую связь между генами и метаболической активностью, они перенесли природные сообщества в лабораторию.
Эксперимент и модель
Учёные взяли образцы почвы из сельскохозяйственных угодий и лесов вокруг Урбаны (Иллинойс) и выделили из них почти сто разнообразных бактерий. Они:
- Секвенировали их геномы, получив каталог всех присутствующих генов.
- Измерили изменения метаболитов в процессе роста этих организмов, сфокусировавшись на денитрификации — ключевом этапе азотного цикла.
Статистический анализ данных выявил относительно простые взаимосвязи между ключевыми генами, вовлечёнными в денитрификацию, и скоростями потребления и производства соответствующих метаболитов.
Затем исследователи построили математическую модель, которая учитывала, как разные организмы взаимодействуют друг с другом (потребляя и обмениваясь ресурсами). Эта модель позволила предсказать общую динамику денитрификации в сообществе, по сути связав гены с коллективным поведением.
«Взаимосвязь между генным составом сообщества и метаболической активностью оказалась намного проще, чем мы считали возможным ранее», — отметил Карна Говда.
Перспективы и ограничения
Предстоит проверить, сохранятся ли эти закономерности в более сложных природных условиях, которые сильно отличаются от контролируемых лабораторных. Однако исследование открывает возможность того, что предсказание химической динамики природной среды может быть столь же простым, как секвенирование её генома.
«Возможно, однажды мы сможем использовать эту информацию для проектирования микробных сообществ с конкретными целями, например, для очистки сточных вод или сельского хозяйства. Было бы огромным прорывом, если бы мы могли понимать, что происходит с метаболитами в природных средах, просто на основе данных секвенирования», — сказал Говда.