Новый метод Protein-SIP раскрывает метаболическую активность микробных сообществ
Исследователи разработали метод, позволяющий детально изучать метаболические функции микробных сообществ — от почвы до кишечника человека. Впервые, благодаря новому алгоритму, созданному в Центре экологических исследований им. Гельмгольца (UFZ, Германия), можно использовать включение стабильных изотопов углерода в белки для исследования природных процессов реминерализации, идентификации ключевых видов и изучения их взаимодействия в сложных процессах разложения.
Суть метода Protein-SIP
Новая методика Protein-SIP (Stable Isotope Probing) позволяет очень точно измерить поток углерода в микробных сообществах. В отличие от анализа ДНК или РНК, который лишь идентифицирует метаболически активные виды, этот метод также выявляет поток углерода и пищевые цепи внутри сообщества, позволяя анализировать взаимодействие между отдельными группами микроорганизмов.
Как это работает:
- Микробному сообществу дают источник углерода, содержащий тяжелый нерадиоактивный изотоп 13C наряду с обычным 12C.
- Бактерии, потребляющие меченый субстрат, включают атомы 13C в свои белки. Виды, использующие метаболиты первых, включают меньше 13C и делают это позже.
- Белки из образца экстрагируют, разрезают ферментом трипсином на пептиды и анализируют с помощью масс-спектрометра.
- Сравнение с геномной базой данных определяет происхождение пептида (вид бактерии).
- На втором этапе с помощью нового алгоритма вычисляют уровень включения 13C в пептиды, используя разницу в 0.0035 атомных единиц массы между изотопами. Поскольку в пептиде более 20 атомов углерода, это смещает десятичные значения масс примерно на 0.07 атомных единиц.
- Уровень 13C служит прямой и точной мерой метаболической активности конкретного вида.
Значение и применение
Метод стал возможен благодаря появлению новых, более точных масс-спектрометров. Он открывает большие возможности для изучения сообществ, которые находятся в центре микробной экологии.
Текущие и будущие проекты с использованием Protein-SIP:
- Выявление ключевых организмов в разложении загрязнителей (бензол, полициклические углеводороды) в отсутствие кислорода (при поддержке DFG и ЕС).
- Исследование пищевой сети, участвующей в разложении бензола.
- Изучение метаболической активности метаногенных бактерий из нефтяных месторождений и метанового цикла в морских отложениях (проекты с национальными и международными партнерами).
- Обработка биопленок (например, на очистных сооружениях), оптимизация процессов генерации биогаза и анализ микрофлоры кишечника.
- Следующий шаг для исследователей из Лейпцига — изучение связи между кишечными бактериями термитов, дождевых червей и их организмов-хозяев.
Работа вносит вклад в цели Международного года биоразнообразия (2010), помогая исследовать последствия и причины его утраты.