Hvordan storskala enkeltcelle-genomik komplementerer metagenomiske undersøgelser

Forskere demonstrerede værdien af ​​at udføre enkeltcelle-genomik i stor skala ved at indsamle næsten 500 enkeltceller fra en enkelt lavdiversitetsprøve af varme kilder. Deres arbejde viste, at enkeltcelle-genomik kan tilføje betydelig værdi til de andre almindeligt anvendte kulturuafhængige sekventeringstilgange, herunder amplikon og metagenomisk sekventering. For eksempel viste de, at sammensætningen af ​​samfundet var ens på tværs af sekventeringstilgange, at artsspecifikke sæt af enkeltceller husede mobile genetiske elementer, der blev savnet inden for parrede metagenom-samlede genomer (MAG'er), og at dominerende populationer varierede med hensyn til mængden inden for artsrekombination, hvilket indikerer variation i genflow mellem de analyserede samfundsmedlemmer.

Selvom mikrober hjælper med at regulere planetens næringsstofkredsløb og potentielt kan bruges på områder lige fra landbrug til bioteknologi og medicin, forbliver langt de fleste i, på og omkring planeten ukendt. I de senere år har fremskridt inden for sekventeringsteknologier og bioinformatiske værktøjer hjulpet med at afkode genomerne fra titusindvis af hidtil ukendte og udyrkede mikrober gennem metagenomik. Sådanne teknikker drager fordel af bioinformatiske værktøjer til at udtrække uddrag af mikrobielle genomer direkte fra miljøsekvensdata ved at samle hvert genom fra store blandinger af genomiske sekvenser. En komplementær tilgang til dette er enkeltcelle-genomik, hvor celler fra miljøprøver først adskilles, og deres genomer derefter amplificeres og sekventeres individuelt, hvilket giver forskerne mulighed for at anvende befolkningsgenomiske tilgange til nært beslægtede celler plukket direkte fra miljøet.

Dewar Creek er en fjerntliggende varm kilde, dybt inde i British Columbias bagland (Purcell Wilderness Conservancy Provincial Park of British Columbia, BC Parks). I disse kilder kan temperaturerne nå så højt som 80C (~ 190F), men mikrober trives her. Samfundene i dette ekstreme miljø er ofte mindre forskellige end dem i mere moderate økosystemer. For et par år siden blev en kandidat-bakteriel afstamning identificeret fra mikrobielle og metagenomsekvensdatasæt genereret fra en håndfuld varme kilder, inklusive Dewar Creek.

Forskere fra University of Calgary og U.S. Department of Energy (DOE) Joint Genome Institute (JGI), en DOE Office of Science User Facility, som er placeret ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), fortsatte med at udforske en enkelt- cellesekventering for at vurdere diversiteten inden for og mellem mikrobielle populationer. Værket blev vist i The ISME Journal .

Medlemmer af Dunfield-laboratoriet indsamlede prøver fra denne varme kilde. En enkelt prøve blev derefter brugt til at producere et parret amplikondatasæt (a.k.a. 16S rRNA-gensekventering), et haglgeværmetagenom og et enkeltcelledatasæt med næsten 500 enkeltcelle-genomer. Enkeltcelledelen af ​​dette arbejde blev udført af Danielle Goudeau og Rex Malmstrom fra JGI's Microscale Applications-gruppe. Celler blev tilfældigt sorteret, hele genomet amplificeret, derefter sekventeret og samlet. Robert Bowers, en JGI-forsker inden for det mikrobielle program, ledede de genomiske analyser for at sammenligne de resulterende datasæt og understregede anvendeligheden af ​​enkeltcellesekvensering til at vurdere variationen inden for naturlige mikrobielle populationer.

Hver af de tre sekventeringstilgange producerede en generelt ens samfundsprofil. Men hver tilgang demonstrerer sin fulde værdi på forskellige skalaer. Amplikon-sekventering bruges almindeligvis til at vurdere udsving i mikrobiel diversitet på tværs af tusindvis af prøver. Metagenomics anvendes i øjeblikket på tværs af tiere til hundredvis af prøver, mens enkeltcelletilgange typisk er blevet brugt som et supplement til at isolere sekventering, dvs. når de målrettede celler ikke kan dyrkes i laboratoriet.

Det, der gør denne særlige undersøgelse unik, er anvendelsen af ​​enkeltcelle-genomik til et helt samfund. I betragtning af den lave mikrobielle diversitet af den udtagede varme kilde dækkede et datasæt med næsten 500 enkeltceller mangfoldigheden af ​​de fleste taxa i prøven. Desuden var de tre mest udbredte afstamninger repræsenteret af nok enkeltcelle genomer til at lette en analyse af inden for og mellem populationsheterogenitet ved at sammenligne ATGC'erne af genomerne fra hver enkelt celle. Holdet viste, at mens den brede diversitet på nukleotidniveau var ens på tværs af de dominerende afstamninger, viste hver mikrobiel gruppe vidt forskellige rekombinationsprofiler. Dette er beslægtet med strukturen af ​​sociale medienetværk, hvor én social mediegruppe kan have et relativt begrænset sæt venner, mens en anden måske udviser få begrænsninger for interaktioner og nye forbindelser og dermed deler flere ideer, svarende til deling af gener inden for en meget rekombinerende mikrobiel population. Dette arbejde viser nytten af ​​enkeltcelle-sekventering, da overvågning af heterogenitet på populationsniveau af ukultiverede mikrober vil give forskerne mulighed for at fange den finskala variation inden for populationer, der er en forløber for diversificering på stammeniveau og mikrobiel artsdannelse.