Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Forschern des Bigelow Laboratory for Ocean Sciences hat eine innovative Methode entwickelt, um die Genetik und Funktion einzelner Mikroben, die ohne Sauerstoff tief unter der Erdoberfläche leben, zu verknüpfen. Die Messung dieser beiden Eigenschaften – und, was noch wichtiger ist, ihre Verknüpfung miteinander – stellt seit langem eine Herausforderung in der Mikrobiologie dar, ist jedoch von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der Rolle mikrobieller Gemeinschaften in globalen Prozessen wie dem Kohlenstoffkreislauf.
Der neue Ansatz, der im Single Cell Genomics Center des Bigelow Laboratory entwickelt wurde, ermöglichte es Forschern zu entdecken, dass eine Art sulfatfressender Bakterien nicht nur der am häufigsten vorkommende, sondern auch der aktivste Organismus in einem Grundwasserleiter unterhalb des Death Valley, fast eine halbe Meile tiefer, war die Oberfläche.
Die Ergebnisse, veröffentlicht in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenzeigen, wie diese Methode ein leistungsstarkes Werkzeug zur Messung der Aktivität verschiedener Organismen in diesen extremen Umgebungen sein kann.
„Früher mussten wir davon ausgehen, dass alle Zellen mit der gleichen Geschwindigkeit arbeiten, aber jetzt können wir sehen, dass es eine große Bandbreite an Aktivitätsniveaus zwischen einzelnen Mitgliedern der mikrobiellen Gemeinschaften gibt“, sagte Forscherin und Hauptautorin der Studie Melody Lindsay. „Das hilft uns zu verstehen, wozu diese mikrobiellen Gemeinschaften fähig sind und wie dies die globalen biogeochemischen Kreisläufe beeinflussen könnte.“
Die aktuelle Studie ist Teil eines größeren Projekts, das den genetischen Code von Mikroben – den Bauplan ihrer Fähigkeiten – mit dem verknüpft, was sie zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich tun.
Das „Genomes to Phenomes“-Projekt ist ein Joint Venture zwischen Bigelow Laboratory, dem Desert Research Institute und der University of New Hampshire. Es nutzt die jüngsten Fortschritte bei der genetischen Sequenzierung einzelner Zellen mit einem kreativen Ansatz, bei dem Durchflusszytometrie angewendet wird, um die Geschwindigkeit von Prozessen wie der Atmung abzuschätzen, die in diesen Zellen ablaufen.
Die Durchflusszytometrie, eine Methode zur Analyse einzelner Umweltmikroben, die am Bigelow Laboratory aus den biomedizinischen Wissenschaften übernommen wurde, ermöglichte es den Forschern, lebende Mikroben in den Wasserproben des Grundwasserleiters schnell zu sortieren. Diese Mikroben wurden mit einer speziell entwickelten Verbindung gefärbt, die unter dem Durchflusszytometrie-Laser aufleuchtet, wenn bestimmte chemische Reaktionen in der Zelle stattfinden.
Der Zusammenhang zwischen der Fluoreszenz der Zelle unter dem Laser und der Geschwindigkeit dieser Reaktionen wurde von studentischen Praktikanten des Bigelow Laboratory experimentell mit im Labor gezüchteten Zellkulturen ermittelt und dann auf die Death Valley-Proben angewendet.
Nachdem die aktiven Zellen vermessen und isoliert worden waren, sequenzierte das Team ihre einzelnen Genome. Die Forscher verwendeten auch Metatranskriptomik, eine Methode zur Bestimmung, welche Gene aktiv exprimiert werden, und Radioisotopen-Tracer, eine traditionellere Methode zur Messung der Aktivität innerhalb einer mikrobiellen Gemeinschaft. Dies geschah, um ihre Ergebnisse noch einmal zu „überprüfen“ und um noch mehr Informationen über die Zusammenhänge zwischen dem, wozu diese Mikroben genetisch fähig sind, und dem, was sie tatsächlich tun, zu erhalten.
Das Single Cell Genomics Center ist die einzige Analyseeinrichtung weltweit, die Forschern diese neue Technik anbietet.
„Diese Studie war eine aufregende Gelegenheit für unser Forschungsteam und das SCGC, unser Verständnis der riesigen, rätselhaften mikrobiellen Ökosysteme im Untergrund zu verbessern“, sagte Ramunas Stepanauskas, Senior Research Scientist am Bigelow Laboratory, Direktor des SCGC und Hauptforscher des Projekts.
Diese neue Studie baut auf der ersten Demonstration dieses Ansatzes zur Quantifizierung der Aktivität einzelner Zellen auf. Ende 2022 veröffentlichte das Team Ergebnisse zu Mikroben im Meerwasser, die zeigten, dass ein kleiner Teil der Mikroorganismen für den Großteil des Sauerstoffs im Ozean verantwortlich ist.
Mit dieser neuen Arbeit erweitert das Team diese Methode, um zu zeigen, dass sie in Umgebungen mit geringer Biomasse und Mikroben, die nicht auf Sauerstoff angewiesen sind, eingesetzt werden kann. In den Proben, die beispielsweise aus dem unterirdischen Grundwasserleiter in Kalifornien entnommen wurden, schätzten die Wissenschaftler, dass es Hunderte von Zellen pro Milliliter Wasser gab, verglichen mit Millionen von Zellen in einem typischen Milliliter Oberflächenwasser.
„Wir haben mit Sauerstoff atmenden Organismen im Ozean begonnen, weil sie etwas aktiver, etwas einfacher zu sortieren und im Labor leichter zu züchten sind“, sagte Lindsay. „Aber die aerobe Atmung ist nur ein Prozess, der in der Mikrobiologie möglich ist, deshalb wollten wir darüber hinausgehen.“
Die Ergebnisse bestätigten, dass das Bakterium Candidatus Desulforudis audaxviator nicht nur die am häufigsten vorkommende Mikrobe in dieser Umgebung war, sondern auch die aktivste, Sulfat zur Energiegewinnung reduzierende. Die vom Team gemessenen Gesamtaktivitätsraten waren im Vergleich zu den Meerwasserproben aus der vorherigen Studie niedrig, es gab jedoch große Unterschiede zwischen der Aktivität einzelner Mikroben.
Das Forschungsteam arbeitet nun daran, seine Methode zur Messung anderer anaerober Reaktionen, beispielsweise der Nitratreduktion, und auf neue Umgebungen, einschließlich Sedimente entlang der Küste von Maine, anzuwenden. Ein verwandtes Projekt ermöglicht es Lindsay und ihren Kollegen auch, die Methode tief unter der Meeresoberfläche zu testen.
„Im Moment erhalten wir all diese Punktmessungen auf der ganzen Welt und sie helfen uns, besser zu verstehen, was Mikroben vorhaben, aber wir müssen sie vergrößern“, sagte Lindsay. „Wir denken also darüber nach, wie wir diese Methode in erweiterter Form an neuen Orten anwenden können, möglicherweise sogar auf anderen Planeten.“
Mehr Informationen:
Melody R. Lindsay et al., Speziesaufgelöste Einzelzellatmungsraten offenbaren die Dominanz der Sulfatreduktion in einem tiefen kontinentalen Untergrundökosystem. Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2309636121. doi.org/10.1073/pnas.2309636121