Новая технология исследует микробов, которых нельзя вырастить в лаборатории

Исследователи из Стэнфордского университета применили новую систему микрофлюидного анализа для извлечения 29 новых микробных геномов из образцов двух горячих источников в Йеллоустонском национальном парке. Они извлекли геномы, сохранив разрешение на уровне единичной клетки, то есть зная, из каких именно клеток происходит генетический материал. Это стало возможным благодаря новой технологии, которая разделяет образец для точного анализа генетического материала микроба, предоставляя детали о функции и распространённости генома. Работа была поддержана программой Emerging Technology Opportunity Program в рамках Объединённого института генома Министерства энергетики США (DOE JGI).

Эта технология проливает свет на микробную «тёмную материю» — генетическую информацию от большинства микробного разнообразия планеты, которое не выращивалось в лаборатории. Такие микробы обитают в горячих источниках, пустынях, под антарктическим льдом и в кислых стоках. Инструменты, определяющие генетику и метаболизм микробов, найдут применение в областях от биоэнергетики до биотехнологий и экологических исследований.

В общедоступной базе данных Integrated Microbial Genomes DOE JGI содержится более 50 000 последовательностей микробных геномов, многие из которых обнаружены с помощью метагеномного секвенирования и геномики единичных клеток. Однако у этих методов есть ограничения: амплификация геномов единичных клеток трудоёмка и часто неполна, а метагеномное секвенирование лучше работает с менее сложными образцами.

В журнале eLife команда из Стэнфорда сообщает о разработке микрофлюидного подхода «мини-метагеномики» для решения этих проблем. Техника начинается с разделения сложного образца с помощью микрофлюидики на 96 суб-образцов, каждый из которых содержит 5–10 клеток. Затем геномы в клетках каждого суб-образца амплифицируются и создаются библиотеки для секвенирования этих мини-метагеномов. Меньшие суб-образцы сохраняют разрешение единичной клетки для статистического анализа. Паттерны совместной встречаемости из многих суб-образцов также могут быть использованы для биннинга геномов независимо от последовательности. Технология была разработана при поддержке программы Emerging Technologies Opportunity Program DOE JGI, запущенной в 2013 году.

Цель программы — применять новые технологии для решения задач в области энергетики и окружающей среды. Команда проверила метод на синтетическом микробном сообществе, а затем применила его к образцам из горячих источников Биях и Маунд в Йеллоустоне. Среди находок: у микробов из источника Маунд был выше потенциал к производству метана, чем у микробов из источника Биях. Также был идентифицирован микробный геном из источника Биях, способный восстанавливать нитрит до азота. Применение этой технологии к другим образцам расширит спектр пока не охарактеризованных микробных возможностей, имеющих потенциал для миссии Министерства энергетики США.