Muchos microbios no cultivados desempeñan funciones desconocidas en la regulación de los procesos biogeoquímicos de la Tierra; todo, desde la regulación de la salud de las plantas hasta la conducción de los ciclos de nutrientes en ambientes terrestres y marinos, procesos que pueden afectar el clima global. Mientras que los investigadores están utilizando múltiples enfoques para identificar estos microbioscomo "materia oscura microbiana" y determinan lo que están haciendo, la mayoría de las técnicas no les permiten hacer ambas cosas a la vez.
En un estudio publicado en línea el 28 de junio de 2016 en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias PNAS, investigadores del Instituto de Tecnología de California Caltech y el Instituto del Genoma Conjunto del Departamento de Energía de los EE. UU. DOE JGI, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, utilizaron una técnica recientemente refinada para identificar ambas células activas individuales,y grupos únicos de bacterias activas y arqueas dentro de las comunidades microbianas. Comprender el verdadero alcance de la diversidad microbiana del planeta es de interés para el DOE a fin de aprender cómo se pueden aprovechar para una amplia gama de desafíos energéticos y ambientales.
"Uno de los mayores problemas en la exploración de la materia oscura microbiana es que, hasta ahora, es muy complicado determinar cuándo los microbios no cultivados son metabólicamente activos y cuál es su función ecológica en un sistema", dijo el primer autor del estudio, Roland Hatzenpichler,investigadora postdoctoral que trabaja en el laboratorio Caltech de la ecologista microbiana Victoria Orphan. Como parte del programa de Investigación Biológica y Ambiental BER del DOE, el laboratorio de Orphan ha estado estudiando la ecología y fisiología de microorganismos no cultivados que catalizan la oxidación anaeróbica de metano en el medio ambiente."Cuando tratamos con organismos ambientales o asociados con el huésped que viven dentro de comunidades complejas, generalmente miles de especies o más coexisten al mismo tiempo, es muy difícil determinar qué está haciendo una especie o célula individual. Históricamente, esto se ha logrado utilizando el etiquetado de isótopos resueltos de una sola célula. Este es un enfoque comparativamente tedioso y costoso que, sin embargo, es muyPecífico y sensible.Sin embargo, si queremos comprender mejor el funcionamiento del microbioma, necesitamos enfoques nuevos y complementarios que sean de mayor rendimiento, que puedan ser paralelos y que sean baratos.BONCAT [la nueva técnica] es un método así "
BONCAT: una técnica de alto rendimiento para comprender las funciones del microbioma
abreviatura de B io O ortogonal N encendido C anónico A mino ácido T agging, BONCAT es una técnica desarrollada en Caltech para estudios de bioingeniería, pero fue adaptada por Hatzenpichler y Orphan para su uso en investigaciones de ecología microbiana. BONCAT utiliza aminoácidos sintéticos para marcar las células productoras de proteínas. Estos aminoácidos se pueden teñir con unetiqueta fluorescente, iluminando las células activas en su hábitat. Para este estudio, Hatzenpichler y sus colegas utilizaron muestras de sedimentos recolectados de sedimentos de metano en las profundidades marinas de las costas de Oregon y California para una serie de experimentos de incubación, rastreando el lento crecimiento del metano.metabólica de las poblaciones bacterianas y arqueológicas Las comunidades microbianas en estos sedimentos incluyen agregados de arqueas oxidantes de metano llamadas ANME por AN aeróbico ME thanotrophs y bacterias reductoras de sulfato SRB que viven juntas simbióticamente y ayudan a eliminar alrededor del 80 por ciento del metano liberado de los sedimentos oceánicos.
Los investigadores de Caltech combinaron BONCAT con fluorescente in situ hibridación FISH para analizar microbios activos dentro de estos entornos simulados e identificar en qué condiciones estuvieron activos. "Por lo general, cada sitio de filtración de metano alberga varios grupos diferentes de oxidantes de metano arqueales", dijo Hatzenpichler. "Una hipótesis de larga data".ha sido que diferentes miembros de estos grupos son activos de manera diferente en diferentes momentos. Al explotar la capacidad de hacer análisis BONCAT en modo comparativamente de alto rendimiento, descubrimos que los miembros de todos los grupos de arqueas oxidantes de metano eran anabólicos activos durante la incubación.puede empezar a preguntar por qué "
Aplicación de la técnica BONCAT a la citometría de flujo
Los investigadores del DOE JGI luego ayudaron a desarrollar un proceso que permitió al equipo aplicar BONCAT a la citometría de flujo. "Es el mismo proceso que para la genómica unicelular, pero para los agregados de bacterias simbióticas y arqueas", dijo el director del Grupo de Aplicaciones de Microescala del DOE JGI, RexMalmstrom de la técnica llamada BONCAT-FACS BONCAT - Clasificación celular activada por fluorescencia. "Estamos clasificando agregados individuales llenos de células que están activas en un entorno simulado y con el clasificador celular podemos tomar células activas para estudiarlas.Tuvimos que descubrir cómo adaptar el proceso para el citómetro de flujo. Después de la clasificación, realizamos la amplificación del genoma completo en agregados individuales y luego secuenciamos los genes marcadores 16S rRNA para identificar las células que componen el agregado. Ahora estamos haciendo la secuenciación del genoma completo enestas muestras ". La secuenciación podría proporcionar a los investigadores la información genética que explica por qué algunos microbios estaban activos bajo ciertas condiciones y por qué otros no".
A través de BONCAT-FACS, el equipo descubrió que las arqueas oxidantes de metano no interactuaban solo con las bacterias reductoras de sulfato conocidas, como se esperaba, sino que a veces también se asociaban con miembros del filo de Verrucomicrobia menos estudiado.Estas interacciones no se habían visto previamente, y el hallazgo sugiere a los investigadores que las arqueas oxidantes de metano tienen una gama más amplia de relaciones simbióticas de lo que se pensaba. Actualmente, se está abordando si estas interacciones son beneficiosas para ambos tipos de células.
"El poder principal de JGI radica en la capacidad de descifrar el código genético de los microorganismos", señaló Hatzenpichler. "Al unirnos, pudimos aislar grupos de células individuales involucradas en la degradación del metano de los gases de efecto invernadero de nuestras muestras, identificar elsocios celulares involucrados en este proceso, y obtener información sobre su código genético. "Orphan y su equipo planean utilizar la información genómica de los socios arqueados y bacterianos oxidantes de metano para desarrollar conocimientos más profundos sobre la fisiología y los mecanismos de interacción e intercambio energético.entre diferentes consorcios metanotróficos que coexisten en el medio ambiente.
En otoño, Hatzenpichler comenzará su propio laboratorio en la Universidad Estatal de Montana-Bozeman. Continuará trabajando estrechamente con los investigadores del DOE JGI para descubrir el impacto biogeoquímico y el potencial biotecnológico de los microbios no cultivados.
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Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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