«В поддержку миссии Министерства энергетики США по распутыванию сложностей углеродного цикла мы используем систему биологической корки для изучения конкретных метаболитов в почве и того, как микробы нацелены на эти соединения», — сказал Трент Нортен, ученый из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Беркли). Lab) и Объединенный институт генома Министерства энергетики США (DOE JGI), учреждение для пользователей Управления науки Министерства энергетики США. «Растворенный органический углерод (DOC) и почвенные микробы обычно изучаются как широкие группы, и мы хотели изучить конкретную взаимосвязь между разнообразием почвенных метаболитов и разнообразием микробов».
В исследовании, опубликованном 22 сентября 2015 года в Nature Communications, команда под руководством Нортена использовала семь бактериальных изолятов из биококков пустыни, один из которых цианобактерия Microcoleus vaginatus, секвенированная DOE JGI, которая была в центре внимания более ранней работы. Изоляты культивировали в том, что Нортен описывает как «виртуальный шведский стол» метаболитов, содержащих почти 500 соединений, до тех пор, пока они не перестали расти. Нортен и его сотрудники развернули набор инструментов, которые он называет «экзометаболомикой», которые используют аналитические возможности новейших методов масс-спектрометрии для количественного измерения того, как каждый микроб и сообщество биокорпусов трансформируют сложные смеси метаболитов, в данном случае, из почвы.
Поедание в сообществе: буфет с биокорпусом«Традиционно исследователи применяли широкие категории при изучении углерода в почве и микробов, например, сгруппировали продукты и людей за шведским столом в широкие группы и измеряли общее количество калорий, потребляемых каждой группой людей», — сказал Нортен. «Но люди в буфете не все едят одно и то же; вегетарианцы не трогают мясо, у других аллергия на глютен и так далее. Точно так же биокрупы — это большой буфет, и в нашем исследовании мы обнаружили, что каждый из них использует разные фракции DOC, поэтому для того, чтобы потреблять буфет, требуется сообщество ".«Мы были удивлены, обнаружив, что различные микробы, которые мы исследовали, были нацелены на конкретные метаболиты, в то время как отдельные изоляты использовали лишь небольшой диапазон — 13–26 процентов — метаболитов», — говорит первый автор исследования Ричард Баран. Еще более удивительным для исследовательской группы было отсутствие совпадения в предпочтениях микробов в отношении субстрата, когда все потреблялись всего несколько метаболитов.
«Это может быть важным механизмом, помогающим поддерживать различные микробы в почве», — сказал Нортен. «Если каждый тип микробов нацелен на уникальные метаболиты, они могут избежать чистой конкуренции благодаря специализации, но в совокупности они метаболизируют сложные углеродные пулы. Поедая различные продукты в меню, метаболиты могут способствовать поддержанию большего микробного разнообразия».
Другое наблюдение, которое Нортен отметил на основе этих результатов, заключается в том, что во многих случаях метаболиты, которые выделяются одним микробом, потребляются другим. Открытие предполагает, что в микробиомах корок может быть пищевая сеть, в которой отдельные микробы могут зависеть друг от друга в отношении определенных метаболитов. «По сути, микробы не будут есть обед друг друга, если они зависят друг от друга в отношении определенного метаболита», — сказал Нортен, описывая этот возможный механизм в поддержку биоразнообразия почвы.Связь геномики с микробным метаболизмом
Хотя биокоры, на которых команда сосредоточилась в этой статье, представляют собой довольно простую модельную систему, они говорят, что планируют применить экзометаболомику к более сложным почвенным системам и большему количеству микробов. «На самом деле мы пытаемся определить, какова связь между разнообразием метаболитов и микробным разнообразием? Каковы конкретные соединения и как эти конкретные соединения трансформируются конкретными микробами», — сказал Нортен. «Это экзометаболомика».Долгосрочная цель команды — разработать экзометаболомику как инструмент прогнозирования.
По словам Нортена, связывая данные о последовательности с круговоротом углерода в почве, исследователи могут, например, взять метагеном и предсказать, какие метаболиты присутствуют в окружающей среде.«Это новое приложение метаболомики к микробной экологии, — сказал Ферран Гарсиа-Пичель, декан естественных наук, Колледж свободных искусств и наук Университета штата Аризона и один из ведущих авторов статьи, — особенно захватывающе, потому что оно открывает потенциал чтобы напрямую связать современные достижения в области геномики с большей частью традиционных знаний о микробном метаболизме, придав им дополнительную ценность.