La pradera de Kansas parece la imagen misma de la belleza y la sencillez, con campos ondulados de maíz y trigo que se extienden hasta donde alcanza la vista.
Pero debajo del suelo, el suelo es testigo de la increíble diversidad y el caos de la vida incluso en el terreno más pequeño. Solo una cucharadita de suelo de Kansas contiene decenas de miles de especies microbianas.
Ahora, los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico han desenredado ese lío de microbios con base en Kansas más completamente de lo que los científicos lo han hecho nunca con una muestra de suelo.
En una de las miradas más profundas hasta la fecha sobre un metagenoma del suelo, todo el material genético recuperado de una muestra de suelo, el equipo reconstruyó porciones de los genomas de 129 especies de microbios. Si bien es solo una pequeña proporciónde las 100.000 especies estimadas en la muestra, es un salto adelante para los científicos que han tenido solo una fracción de ese éxito hasta la fecha.
Los resultados incluyen la primera reconstrucción del genoma completo de un único microbio a partir de una muestra de suelo compleja. Otros grupos han reconstruido genomas completos de microbios a partir de entornos menos complejos, incluidas minas, esteras microbianas y el microbioma humano.
Los resultados se publicaron recientemente en mSystems , una publicación de la Sociedad Americana de Microbiología.
Microbios del suelo: crucial para el clima, el medio ambiente
Los microbios en el suelo determinan en gran parte cómo el planeta almacena carbono, cuándo y cómo se libera el carbono al medio ambiente, cómo las plantas absorben los nutrientes y cómo les va a los cultivos. Si bien muchas personas se han familiarizado con la comunidad de microbios que viven en nosotros, con nosotros y dentro de nosotros, el microbioma humano, el microbioma del suelo es menos conocido pero crucial para el destino de nuestro planeta. Más conocimiento sobre los microbios ayuda a los científicos a comprender el cambio climático y las fuerzas que dan forma a la salud de nuestro planeta.
Si bien los científicos han avanzado en la clasificación de las especies presentes en muestras complejas de suelo, la forma en que interactúan esas especies sigue siendo un problema enorme.
"Estamos tratando de resolver las preguntas generales. ¿Qué están haciendo los diversos microbios en la comunidad microbiana? ¿Qué especies son muy activas y cuáles parecen inactivas? ¿Cómo encajan todas juntas?", Dijo la microbióloga Janet Jansson,autor.
"Hoy podemos recopilar inmensos datos sobre comunidades microbianas muy rápidamente, pero es muy difícil reunir la información para crear una imagen coherente", agregó.
Jansson se dirigió al asociado postdoctoral Richard Allen White III, el primer autor del artículo, para asumir el desafío de desenredar los genomas.
Desenterrando la tierra en la pradera de Kansas
El equipo comenzó con datos extraídos de una muestra de pradera nativa sin cultivar de Kansas recolectada en la Estación Biológica Konza Prairie en el noreste de Kansas. Los científicos compilaron los datos genéticos previamente a través de la Iniciativa Gran Desafío del Metagenoma del Suelo de la Gran Pradera en el Instituto Conjunto del Genoma, unInstalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
El suelo de Kansas es de las Grandes Llanuras, donde el suelo tiene un alto contenido de carbono en comparación con otros suelos. Científicos como Jansson están explorando lo que sucederá en el suelo a medida que cambia el clima. Por ejemplo, podría haber una mayor liberación de gases de efecto invernadero ala atmósfera si los microorganismos convierten el carbono en dióxido de carbono más rápidamente.
La muestra bajo escrutinio incluyó más de 250 mil millones de pares de bases de datos genéticos, la mayoría de microbios, que esperaban a un equipo científico con el descaro para tratar de darle sentido. El equipo de Jansson asumió el desafío, desentrañando una cantidad de información aproximadamenteigual a toda la transmisión de datos a través de 200 teléfonos móviles en un mes.
El material genético no vino cuidadosamente empaquetado. Había sido rasgado, partido, retorcido, aplastado y expuesto a todo tipo de falta de respeto.
"Imagínese tomar un libro grueso escrito en cientos de idiomas diferentes, cortar el libro en pedazos del tamaño de granos de arroz y luego tener que volver a armarlo", dijo White. "No es diferente al desafío que enfrentamoscuando tratamos de entender lo que está pasando incluso en un puñado de tierra ".
Jansson considera que desenredar los microbios en el suelo es un desafío especial porque hay una gran diversidad. Los científicos estiman que entre 50 y 100 veces más especies microbianas habitan una muestra de suelo típica que el intestino humano. Además, la mayoría de los microbios del suelo nunca se han cultivado en unlaboratorio donde puedan ser estudiados a fondo.
Tejer el ADN del suelo juntos
Los científicos usan múltiples técnicas para unir cadenas de ADN con precisión. Las técnicas son generalmente una combinación de métodos químicos sofisticados y algoritmos de software diseñados para dar sentido al material genético. Una clave para el éxito del equipo fue el uso de poderosas supercomputadoras en PNNL yEMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales. EMSL es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el campus de PNNL.
Para realizar el estudio, White utilizó una tecnología de secuenciación desarrollada originalmente en el laboratorio de su antiguo asesor, Stephen Quake de Stanford. Los científicos usan la herramienta de análisis del genoma para descomponer el ADN en trozos más pequeños, luego secuenciarlos y ensamblarlos en trozos más largos.
Cuando el equipo combinó la tecnología con otros métodos, terminaron con 10,000 piezas de ADN, cada una de más de 10 kilopares de bases, más de 10,000 pares de los compuestos biológicos que forman el ADN. Otros intentos de romper un metagenoma del suelo hanarrojó números mucho más bajos, por ejemplo, solo 9 piezas de ADN de esa longitud, menos de una milésima parte de lo que logró el equipo.
"El suelo es uno de los ecosistemas más complejos y diversos del planeta. Es un sustrato tridimensional complejo; no hay nada parecido", dijo White.
"Estamos en el punto en el que hemos reunido algunas oraciones largas de un libro muy grande", agregó. "Hemos pasado de tener pocas palabras o partes de palabras a tener algunas oraciones. Perotenemos un largo camino por recorrer. Estamos en nuestros pequeños pasos para identificar quién está allí y qué está haciendo ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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