Einzelzellsequenzierung Enthüllt Genome Von Mehr Als 200 Ungewöhnlichen Mikroben
Einzelzellsequenzierung Enthüllt Genome Von Mehr Als 200 Ungewöhnlichen Mikroben
Anonim

Der Ansatz hat eine Fundgrube mikrobieller Vielfalt erschlossen, die aus neun verschiedenen Umgebungen auf der Erde gewonnen wurde, wie z. B. hydrothermalen Quellen, einem Bioreaktor und einer Goldmine.

Eine aufkommende Technik zur Analyse von Genomen hat Wissenschaftlern einen Einblick in Mikroben gegeben, die bisher schwer zu untersuchen waren, und unerwartete Verbindungen zwischen verschiedenen Zweigen des Lebensbaums aufgedeckt.

Unter der Leitung von Tanja Woyke, Mikrobiologin am Joint Genome Institute des US-Energieministeriums in Walnut Creek, Kalifornien, verwendeten die Forscher die Einzelzellsequenzierung, um die Genome von 201 Bakterien- und Archaealzellen aus neun verschiedenen Umgebungen zu lesen, z unterirdische Goldmine. Keiner der Organismen war jemals in einem Labor sequenziert oder kultiviert worden. Die Ergebnisse werden heute in Nature veröffentlicht.

"Dies ist ein erstaunliches Papier", sagt Norman Pace, Mikrobiologe an der University of Colorado-Boulder. "Das Erreichen von Hunderten von Genomsequenzen aus einzelnen Zellen auf einmal ist eine völlig neue Ebene der Mikrobiologie."

Die Einzelzellsequenzierung ermöglicht es Wissenschaftlern, das Genom nur einer Zelle zu entschlüsseln, indem sie ihre DNA um das 1-Milliarden-fache amplifiziert, was den Weg für die Untersuchung der „mikrobiellen Dunklen Materie“ebnet. Dies sind Organismen, die durch Methoden wie Metagenomik-Studien entdeckt wurden, bei denen Chargen von Mikroorganismen untersucht werden, die in einer gemeinsamen Umgebung leben, die jedoch im Labor nur schwer oder gar nicht zu züchten sind.

Woyke und ihre Gruppe versuchten, diese dunkle Materie zu erforschen, indem sie einen sehr unterschiedlichen Bereich von Mikroben auswählten und einen Teil ihres Genoms sequenzierten (der je nach Zelle zwischen weniger als 10% und mehr als 90% liegen könnte). Die Sequenzen verdeutlichten die Beziehungen der Mikroben untereinander und zu anderen Arten.

Die Arbeit zeigt, dass einige konventionelle Grenzen zwischen den Königreichen des Lebens nicht so starr sind, wie gedacht wurde. Zum Beispiel schlagen die Forscher vor, dass eine Bakterienlinie Purinbasen - Bausteine ​​von DNA und RNA - unter Verwendung von Enzymen synthetisiert, von denen bisher angenommen wurde, dass sie nur in Archaeen existieren. Inzwischen enthalten drei der in der Studie sequenzierten Archaealzellen Sigma-Faktoren, die die RNA-Transkription initiieren und bisher nur in Bakterien gefunden wurden.

Die Forscher fanden auch ein Bakterium, das die aus drei Buchstaben bestehende Reihe von Basen-UGA - bekannt als Opal-Stop-Codon - „rekodiert“hat. In fast jedem anderen Organismus signalisiert diese Nukleotidsequenz der Zelle, die Translation von RNA in Protein zu stoppen. Aber in diesem Organismus sagt es der Zelle, dass sie die Aminosäure Glycin herstellen soll. Das Team schlägt vor, es in ein neues bakterielles Phylum namens Gracilibacteria zu legen.

Eine ähnliche Rekodierung wurde in einem anderen Bakterium gefunden, was darauf hindeutet, dass der Code des Lebens flexibler sein könnte, als Wissenschaftler angenommen haben.

"Wenn man all die Neuheiten betrachtet, die wir in diesen 201 Genomen gefunden haben, ist das erstaunlich, denn wir betrachten nur einen kleinen Teil der enormen Vielfalt da draußen", sagt Woyke.

Die Forscher sagen, dass ihre Arbeit dazu beitragen kann, mehr Blätter auf die kahlen Zweige des Baumes des Lebens zu legen. Woyke und ihre Kollegen schätzen, dass obwohl Millionen von mikrobiellen Arten in mindestens 60 Hauptphyla fallen, 88% aller kultivierten Mikroben in nur vier Bakterienphyla fallen.

Ihre eingehenden Studien lieferten genügend neue Informationen über mikrobielle Beziehungen, um etwa 340 Millionen Sequenzablesungen aus früheren Metagenomikprojekten besser klassifizieren zu können. Sie schätzen jedoch, dass etwa 16.000 Zellen sequenziert werden müssten, um selbst die Hälfte der weltweit nicht untersuchten mikrobiellen Linien abzudecken. Das Feld hat also noch einen langen Weg vor sich, sagt Jeffrey McLean, Mikrobiologe am J. Craig Venter Institute in San Diego, Kalifornien.

"Dies unterstreicht die Leistungsfähigkeit der Einzelzellgenomik, zeigt aber auch die Notwendigkeit, unsere Anstrengungen zu verstärken, um diese enorme Wissenslücke über die mikrobielle Vielfalt auf der Erde zu schließen", sagt McLean.

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