Undersøgelse af mikrobiomet fra en havbakterie

Kører på en båd midt i det nordlige Stillehav, det mest forbløffende syn er det fuldstændige fravær af noget at se. Det glasagtige, rolige vand er uforstyrret og forsigtigt bølgende i miles i alle retninger. Selvom du kigger over kanten af ​​dækket i det krystallinske blå vand, solens lys trænger ned til en dybde på omkring 600 fod uden noget, der blokerer dens vej. Der ser ud til at være andet at se end vand her, men udseende kan bedrage. Det er de umuligt små organismer og deres uforholdsmæssigt store indvirkning på økosystemet, der lokkede mig og et team af forskere til at trodse det åbne hav, en nysgerrig haj, og en forestående orkan. Vi kom til midten af ​​havet for at udnytte de hemmelige liv for mikroberne, der kalder det åbne hav hjem. Vi offentliggjorde for nylig vores resultater i The ISME Journal .

I sommeren 2015, et team fra Columbia's Lamont-Doherty Earth Observatory-Sonya Dyhrman, Sheean Haley, og jeg - pakkede indholdet af vores laboratorium sammen og sendte det til den anden side af planeten. Vi fulgte tæt på, heldigvis med mindre bagage, og sluttede sig til cirka 60 biologiske oceanografer fra hele verden i Honolulu, Hawaii. Derfra, vi var bestemt til North Pacific Subtropical Gyre ombord på en flåde af to forskningsfartøjer.

Vores ekspedition blev finansieret af Simons Foundation og kaldte Simons Collaboration on Ocean Processes and Ecology, eller ANVENDELSESOMRÅDE. SCOPE's mission er at måle og modellere, hvordan marine mikrober interagerer med og påvirker hinanden og miljøet generelt. Disse processer finder sted hundredvis af miles væk fra tørt land, men de har afgørende betydning for alt liv på jorden. Trods alt, mikroskopiske havplanter, eller planteplankton, er ansvarlige for omtrent halvdelen af ​​planetens primære produktivitet. Det betyder, at for hvert andet åndedrag, du tager, du kan takke et planteplankton.

Min egen forskning fokuserer på et fytoplankton kaldet Trichodesmium. Det er en keystone -art ude i det subtropiske åbne hav. I lavt næringsstof, næsten ørkenlignende forhold, Trichodesmium er en oase. Det er en fotosyntetisk bakterie, så den kan bruge lidt mere end sollys og kuldioxid til at lave sit eget sukker til mad. Det er også en nitrogenfikser. Ligesom de bakterier, der lever i rødderne af bælgplanter som ærter, Trichodesmium kan tage inaktiv N2 -gas fra atmosfæren og gøre den til en form, der understøtter liv. I et hårdt miljø, hvor andre organismer næsten ikke lever af den lave forsyning af biotilgængeligt nitrogen, Trichodesmium er en flydende gødningsfabrik. Af denne grund, det danner hotspots for biologisk aktivitet - konstellationer af flydende mikrobielle byer, der gør det muligt for globale biogeokemiske cyklusser at blive ved med at vende.

At sammenligne Trichodesmium med en by er ikke meget af en strækning. Cellerne er store - for en bakterie altså. De er omkring 20 mikrometer brede, næsten 8 gange længden af ​​en typisk bakterie. Disse celler danner lange kæder, og disse kæder klumper sig sammen for at danne puffball-lignende kolonier, der ligner ærtegrønne høballer på størrelse med et nålehoved. Hvis du skulle zoome ind på en af ​​de puffballer, du vil opdage, at Trichodesmium ikke er alene. Andre mikrober udnytter sukkeret fra fotosyntese og biotilgængeligt nitrogen, der lækker ud af Trichodesmium, og gøre deres permanente hjem på disse kolonier. I mikroorganismernes verden, Trichodesmium -kolonier er som Manhattan i restaurantugen. Træde i kræft, Trichodesmium er en mikrobe med sit eget mikrobiom.

Trichodesmium blev først beskrevet af opdagelsesrejsende kaptajn Cook under en ekspedition til Det Røde Hav i slutningen af ​​1700'erne. Det var først i 1980'erne, imidlertid, at forskere stak Trichodesmium-puffer under et kraftfuldt mikroskop og opdagede, at kolonierne vrimlede med andre bakterier. At udforske denne fascinerende indsigt faldt i skyggen af ​​en anden vigtig opdagelse:at estimater af Trichodesmiums N2-fikseringsegenskaber blev lavtkuglet af en størrelsesorden. Nye estimater antydede, at selvom denne organisme ikke er numerisk rigelig i havet, det bidrager stadig med næsten halvdelen af ​​det samlede biotilgængelige havkvælstof.

I dag, "mikrobiom" er et modeord i både videnskabelig forskning og ud over mikrobiologiske laboratoriers bordplader. Opdagelsen af, at mikroorganismerne, der lever i og på os, er kritisk vigtige for at kontrollere, hvordan vi fordøjer vores mad, afværge skadelige patogener, og selv det, vi tænker på, har fundamentalt ændret, hvordan mennesker ser på deres forhold til disse småbittere. Bakterier er ikke bare bakterier længere.

Hvis en sund sammensætning af tarmbakterier hos et menneske kan være nøglen til en sund livsstil, så kunne mikrobiomet, der lever på Trichodesmium, spille en tidligere overset rolle i dets økologi? Bakterierne i Trichodesmium -mikrobiomet kan måske bare køre en tur gennem bølgerne som passive stuvninger, eller de kan interagere med deres vært på en vigtig måde. Kunne de på en eller anden måde muliggøre Trichodesmiums succes og dets evne til at fotosyntetisere og reparere nitrogen? SCOPE -ekspeditionen var vores chance for at finde ud af det. Alle 60 forskere arbejdede sammen på tværs af to skibe for at tage prøver til en række biologiske og kemiske målinger hver fjerde time i to på hinanden følgende fire -dages perioder.

Da solen begyndte at kigge op over horisonten den første morgen i prøveudtagningen, Sheean og jeg stod helt for enden af ​​skibet, venter på "alt klart" fra kaptajnen for at skubbe vores Trichodesmium prøveudtagningsudstyr. Dette gear var som et akvatisk sommerfuglernet, som vi trak gennem vandet, dens fine maske koncentrerer Trichodesmium -kolonierne fra tusinder af liter vand. Vandet så roligt ud, men det var en mægtig bicep -træning for at holde om rebet og modstå at blive rykket over bord. Bedriften blev endnu mere dødsbekæmpende, da en nysgerrig haj begyndte at undersøge vores net.

Tilbage på dækket, vi skyndte prøven til laboratoriet og plukkede ud hver Trichodesmium -koloni, vi kunne finde med øjendråber. (Intet tester ens havben ligesom fiskeri efter bakterier på et skib i bevægelse.) At bevæge sig hurtigt var nøglen til at bevare prøvernes integritet:for at finde ud af, hvad Trichodesmium og deres mikrobiom lavede i vandet, vi sekventerede og analyserede alle de gener, de tænder og slukker i løbet af vores uger til søs.

En organismes genom er som en kogebog - den indeholder alle de instruktioner, en organisme har brug for for at fungere. Generne er som de enkelte opskriftskort, der trækkes ud, så de passer til en given tilstand. Ligesom vinteren signalerer opskrifter på kalkun- og græskertærte, den stigende sol udløser Trichodesmiums gener for fotosyntese og nitrogenfiksering til at tænde. Hvis vi kunne spore ekspressionen af ​​disse gener i løbet af dagen, og finde gener med lignende dag-nat-mønstre i mikrobiomet-organismer, der ikke bør reagere på sollys-så ville vi have genetiske tegn på potentielle interaktioner mellem vært og mikrobiom.

Efter en lang dag med at tage prøver, Sheean, Sonya og jeg havde ramt vores skridt. Men da solen gik ned, stod vi over for en ny udfordring:at isolere kolonierne i næsten mørke. For at bevare gensignaturerne forårsaget af den stigende og nedgående sol, om natten byttede vi alle pærer i vores skibs laboratorium ud med rødt lys. Det føltes som om vi var i en ubåd. Efter 96 timer, vi havde logget mange prøver, men lidt søvn. Havene var begyndt at rokke, da en storm stormede mod vores skib. I mit vagt søsyge delirium, det virkede tosset, at jeg kunne forvandle små bakteriekolonier plukket ud af midten af ​​havet til biologisk indsigtsfulde data.

Måneder senere, tilbage på tørt land ved Lamont-Doherty Earth Observatory, mine Trichodesmium -genekspressionsdata blev sekvenseret og klar til at blive analyseret. Signalerne fra Trichodesmium dukkede først op:smukke sinusformede bølger, der viser gener til fotosyntese og nitrogenfiksering, der danser hen over min computerskærm i samklang med solens stigning og fald. Derefter vendte jeg min opmærksomhed mod mikrobiomets gener. Der var ingen grund til at tro, at disse bakterier skulle koreografere deres fysiologi med Trichodesmium. Trods alt, de kunne bare være passive stuve. Jeg holdt vejret, da jeg klikkede igennem analyserne og skitserede resultaterne.

Da Trichodesmium -nitrogenfikseringsgenerne tændes og slukkes, gener til nitrogenbrug i mikrobiomet fulgt i lockstep. De samme mønstre optrådte i Trichodesmium -carbonfikseringsgener og mikrobiom -kulforbrugsgener. På den anden side, vi fandt også tegn på, at mikrobiomet tjener deres beholdning på kolonier ved at bruge op til ilt, der produceres ved fotosyntese, og nedbrydning af sukkerarterne til kuldioxid - hovedsageligt vejrtrækning, spise, og udånder ligesom dyr gør. Ved at fjerne ilt, som hæmmer nitrogenfiksering, og tilførsel af kuldioxid, mikrobiomet sikrer en gunstig indstilling for Trichodesmium til at fortsætte med at fiksere nitrogen og fotosyntese. Til os, disse links antydede et tæt symbiotisk forhold, der kunne have en dybtgående geokemisk indvirkning.

Ikke længe efter at vi rejste en skål for at fejre det udgivne papir, vores samtale vendte tilbage til havet, til de krystallinske blå havgyrer og alle de eksperimenter, vi vil lave næste gang. Disse biologiske interaktioner finder sted i mikroskopisk skala - de opgiver ikke let deres hemmeligheder, men vi er villige til at risikere stormene, søsyge, og lejlighedsvis haj for at undersøge de mindste organismer og deres store indvirkning på Jorden.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.