Ny genbaseret model foreslår, for mikrober, det er ikke hvem du er, men hvad du gør

Fantastisk mangfoldighed gemmer sig under havets overflade, hvor små mikrober arbejder travlt; omdanner kuldioxid fra atmosfæren til ilt, konvertere sollys til energi, og nedbrydning af nitrogengas til at tjene som mad. University of Maryland Center for Environmental Science -forsker Victoria Coles og hendes team har udviklet et nyt værktøj, der fremmer vores forståelse af, hvordan disse mikrober opretholder denne komplekse havkemi.

Den nye model, udgivet i dag i Videnskab , simulerer virkningen af ​​mikrobielle aktiviteter på kemien i Nordatlanten og antyder, at udviklingen af ​​en metabolisk funktion frem for udviklingen af ​​en enkelt art former havet, som vi kender det. Det er den første model, der faktisk forudsiger gener og transkription i hele havet.

"Modellen antyder, at det ikke er udviklingen af ​​arter, men snarere udviklingen af ​​mikrobielle metabolisme, der sætter vores nuværende havkemi, "sagde Victoria Coles, lektor ved University of Maryland Center for Environmental Science's Horn Point Laboratory.

Mikrober er som usynlige maskiner, der sammen udfører de biokemiske transformationer, der opretholder havets balance og funktion. Havet kan være beboet af så mange som 170, 000 forskellige mikrobielle arter, men vi ved næsten ingenting om de fleste funktioner. Alligevel arbejder de alle sammen for at få havet til at fungere, som vi kender det.

"De fleste mikrober kan vi ikke bringe ind i laboratoriet og lære om, fordi vi ikke ved, hvordan vi dyrker dem, "sagde Coles." Hvordan fanger en model arter, vi endnu ikke kender og ikke kan vokse? Vi besluttede at begynde med det mindre antal forskellige metaboliske processer, som mikrober kan udføre. Vi laver syntetiske modelorganismer med forskellige funktioner og smider dem alle i modelhavet. Derefter ser vi for at se, hvordan de ordner det og sammenligner de forudsagte samfundsgener og -udskrifter med direkte observationer. "

Det er lidt som en SIM City, der bygger din egen verden, men for mikrober. Kast en bred mangfoldighed af karakterer sammen i en pulje og de attributter, du vil have dem til at have, og se hvad der sker.

"De vinder eller taber. Nogle virker ikke. Hvis den ene dør, tilføjer vi en anden, "sagde hun." Dette giver os mulighed for i vores model at tilpasse os miljøforhold som næringsforurening eller ændret klima. "

Coles sagde, at forskerne kørte denne nye model mange gange med forskellige mikrober, og hver gang etablerede de de samme grundlæggende biokemimønstre i havet. De opdagede, at genfunktion, påvirket af lokale miljøforhold frem for arten af ​​mikrober, driver de biokemiske reaktioner og processer i modellen. Med andre ord, biblioteket med genfunktioner til rådighed for samfundet, snarere end fordelingen af ​​funktioner blandt bestemte organismer, påvirker havets biogeokemi.

"Alle modelhavene, vi laver, giver os noget, der ligner nutidens hav, "sagde hun." Hvert samfund er virkelig forskelligt i slutningen af ​​modellen, men de gør det samme. Det handler ikke så meget om den specifikke art som processen. Alle mikrober arbejder sammen for at komme til det miljø, vi observerer. "

For eksempel, processen med nitrogenfiksering, tager nitrogengas, der er opløst i havet og gør det til gødning, kan udføres af planter som kiselalger, der arbejder sammen med cyanobakterier eller af cyanobakterier alene, men også af bakterier, der ikke er planter og henter energi fra organiske forbindelser. Hver af disse er totalt forskellige organismer med forskellige slægter, der udfører den samme metaboliske funktion.

"De modeller, vi bruger i dag til at forstå klimaændringer, er alle grundlæggende baseret på almindelige mikrober i det nuværende hav. De inkluderer ikke sjældne mikrober, der kan blive almindelige i fremtiden, "sagde hun." Hvis havmiljøerne ændrer sig, denne model har evnen til at skifte og tilpasse sig, så vi kan få bedre forudsigelser om, hvordan havbiogeokemi kan ændre sig. "

Undersøgelsen "Ocean biogeochemistry modeled with emergent trait-based genomics, "blev offentliggjort i 1. december -udgaven af ​​Science.