Но это может скоро измениться.
В отчете, опубликованном в Nature Communications, группа ученых из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США подробно описала первое в истории успешное использование метода BONCAT для выделения активных микробов, присутствующих в образце почвы – достижение. может вызвать приливную волну новых исследований.
«Почвы, вероятно, представляют собой самые разнообразные микробные сообщества на планете», – сказала Эстель Курадо, первый автор исследования. "В каждом грамме почвы есть миллиарды клеток десятков тысяч видов, которые в совокупности выполняют важные жизненные циклы Земли.
Они составляют основу наземных экосистем, а здоровые микробиомы почвы – ключ к устойчивому сельскому хозяйству. Теперь у нас есть инструменты, чтобы узнать, кто эти виды, но мы еще не знаем, как они делают то, что делают. Это экспериментальное исследование показывает, что BONCAT – это эффективный инструмент, который мы могли бы использовать, чтобы связать активные микробы с процессами в окружающей среде."
В течение последних двух лет Курадо, ее соавторы и многие другие исследователи со всего США.S. сотрудничают в научно-исследовательской области под руководством лаборатории Беркли под названием ENIGMA (для экосистем и сетей, интегрированных с генами и молекулярными сборками), чтобы глубже изучить внутреннюю работу микробиомов почвы. Проекты ENIGMA имеют высокий приоритет для биологов, ученых-энергетиков и исследователей Земли не только потому, что они помогают заполнить пробелы в наших знаниях о том, как функционирует окружающая среда, но и потому, что эти фундаментальные идеи могут помочь ученым-прикладникам более эффективно использовать микробиомы для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к засухе. , удаляют загрязняющие вещества из окружающей среды и устойчиво производят топливо и другие биопродукты.
Однако из-за того, что большинство почвенных микробов не будут расти в лабораторных культурах и из-за их поистине ошеломляющего количества в естественной среде обитания, исследовать, какие виды микробов делают то, что невероятно сложно. «Существует множество препятствий для измерения микробной активности и взаимодействия», – сказал Трент Нортен, ведущий автор и директор по биотехнологиям ENIGMA. "Например, почвенные микробиомы, которые удаляют отходы из подземных водоемов, находятся на глубине сотен футов от поверхности.
А в некоторых экосистемах до 95% микробов неактивны в любой момент времени."
Поскольку прямое наблюдение не обсуждается, микробиологи обычно собирают образцы окружающей среды и полагаются на косвенные подходы, такие как секвенирование ДНК, для характеристики сообществ. Однако большинство широко используемых методов не позволяют отличить активные микробы от тех, которые находятся в спящем состоянии, или от множества свободно плавающих фрагментов ДНК, обнаруженных в почве и отложениях.
BONCAT, сокращение от Bioorthogonal Non-Canonical Amino Acid Tagging, был изобретен генетиками Калифорнийского технологического института в 2006 году как способ изолировать новые белки в клетках. В 2014 году Рекс Мальмстрем, Даниэль Гудо и другие в U.S. Объединенный институт генома (JGI) Министерства энергетики (DOE), пользовательский объект Управления науки, управляемый лабораторией Беркли, сотрудничал с лабораторией Виктории Орфан в Калифорнийском технологическом институте, чтобы адаптировать BONCAT в инструмент, который может идентифицировать активные симбиотические кластеры от десятков до сотен морских микробы в океанических отложениях.
После дальнейшего усовершенствования своего подхода, получившего название BONCAT Fluorescent Activated Cell Sorting (BONCAT + FACS), они смогли обнаруживать отдельные активные микробы.
Как следует из названия, BONCAT + FACS позволяет ученым сортировать одноклеточные организмы на основе наличия или отсутствия флуоресцентных молекул-меток, которые связываются с модифицированной версией аминокислоты метионина.
Когда жидкость, содержащая модифицированный метионин, вводится в образец микробов, только те, которые создают новые белки – признак активности – будут включать модифицированный метионин в клетки.
Помимо того, что он намного более оптимизирован и надежен, чем предыдущие методы идентификации микробов, весь процесс занимает всего несколько часов – это означает, что он может пометить активные клетки, даже если они не реплицируются.
Учитывая, что некоторые почвенные микробы, как известно, медленно растут, многие ученые сразу же заинтересовались применением BONCAT + FACS к наземным почвам.
После трех месяцев экспериментов и оптимизации команда исследователей ENIGMA и JGI разработала протокол, который работает плавно и, что наиболее важно, дает очень воспроизводимые результаты.
«BONCAT + FACS – это мощный инструмент, который обеспечивает более совершенный метод определения того, какие микробы активны в сообществе в любой конкретный момент», – сказал Мальмстрем, который также является автором текущего исследования. «Это также открывает нам дверь для экспериментов, чтобы оценить, какие клетки активны при условии А, а какие становятся активными или неактивными при переключении в состояние В."
В будущем BONCAT + FACS станет возможностью, доступной исследователям, которые хотят сотрудничать с помощью пользовательских программ JGI. Нортен и Мальмстром уже получили несколько предложений от исследовательских групп, желающих начать работу с инструментом, включая группы из Berkeley Lab, которые надеются использовать BONCAT для оценки того, как изменения окружающей среды стимулируют группы микробов. «С помощью BONCAT мы сможем получить мгновенные снимки того, как микробиомы реагируют как на нормальные колебания среды обитания, так и на экстремальные климатические явления, такие как засухи и наводнения, которые становятся все более частыми», – сказал Нортен.
По словам Курадо, команда ожидает, что этот подход послужит катализатором для ряда других важных и интригующих направлений исследований, таких как улучшение сельскохозяйственных угодий, оценка чувствительности к антибиотикам у некультивируемых микробов и исследование совершенно неизвестной роли Candidatus Dormibacteraeota – типа почвенные бактерии, обнаруженные во всем мире, большую часть времени остаются в спящем состоянии.
Размышляя о том, как он и его коллеги достигли цели, которую преследовали многие, Мальмстрем отметил разнообразие ученых в ENIGMA и JGI. "Это настоящий пример командной науки, потому что ни у одного человека не было и никогда не будет опыта, чтобы делать все это."