Jedna z dosud nejpodrobnějších genomických studií jakéhokoli ekosystému odhalila podzemní svět ohromující mikrobiální rozmanitosti a přidala do stromu života desítky nových větví.
Bakteriální bonanza pochází od vědců, kteří rekonstruovali genomy více než 2 500 mikrobů ze vzorků sedimentů a podzemních vod odebraných z akviferu v Coloradu. Toto úsilí bylo vedeno výzkumníky z Národní laboratoře Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) a UC Berkeley ministerstva energetiky. Sekvenování DNA bylo provedeno v Joint Genome Institute, což je kancelář DOE Office of Science User Facility.
Jak bylo uvedeno online 24. října v časopise Nature Communications, vědci propojili genomy z 80 procent všech známých bakteriálních kmenů, což je pozoruhodný stupeň biologické rozmanitosti na jednom místě. Objevili také 47 nových skupin bakterií na úrovni kmene, přičemž mnohé z nich pojmenovali po vlivných mikrobiologech a dalších vědcích. A dozvěděli se nové poznatky o tom, jak mikrobiální komunity spolupracují na řízení procesů, které jsou zásadní pro klima planety a život na celém světě, jako jsou cykly uhlíku a dusíku.
Tato zjištění vrhají světlo na jednu z nejdůležitějších a nejméně pochopených říší života na Zemi. Podzemní svět hostí až jednu pětinu veškeré biomasy, ale zůstává záhadou.
"Nečekali jsme, že najdeme tuto neuvěřitelnou mikrobiální rozmanitost. Ale na druhou stranu víme jen málo o úloze podpovrchových mikrobů v biogeochemických procesech a v širším měřítku vlastně nevíme, co je tam dole," říká Jill Banfield, vedoucí fakultní vědecká pracovnice v oddělení věd o klimatu a ekosystémech v Berkeley Lab a profesorka UC Berkeley na odděleních Země a planetární vědy a Environmentální vědy, politiky a managementu.
Karthik Anantharaman z UC Berkeley, první autor článku, dodává: "Abychom lépe porozuměli tomu, co podpovrchové mikroby dělají, je naším přístupem přístup k celému jejich genomu. To nám umožnilo objevit větší vzájemnou závislost mezi mikroby než už jsme viděli."
Výzkum je součástí projektu vedené laboratoří Berkeley nazvaného Sustainable Systems Scientific Focus Area 2.0, který rozvíjí prediktivní chápání pozemského prostředí od genomu až po měřítko rozvodí. Terénní výzkum projektu se odehrává na výzkumném místě poblíž města Rifle v Coloradu, kde vědci posledních několik let prováděli experimenty určené ke stimulaci populací podzemních mikrobů, které se přirozeně vyskytují ve velmi nízkém počtu.
Vědci poslali vzorky půdy a vody z těchto experimentů do Joint Genome Institute pro metagenomické sekvenování na terabase. Tato vysoce výkonná metoda izoluje a čistí DNA ze vzorků životního prostředí a poté sekvenuje jeden bilion párů bází DNA najednou. Poté vědci použili k analýze dat bioinformatické nástroje vyvinuté v Banfieldově laboratoři.
Jejich přístup překreslil strom života. Mezi 47 novými bakteriálními skupinami uvedenými v této práci a 35 novými skupinami publikovanými v loňském roce (také nalezené na webu Rifle) Banfieldův tým zdvojnásobil počet známých bakteriálních skupin.
S objevem přichází práva na pojmenování. Vědci pojmenovali mnoho nových skupin bakterií po výzkumnících z Berkeley Lab a UC Berkeley. Například je tu Candidatus Andersenbacteria, po vynálezci fyločipu Gary Andersenovi, a je tu Candidatus Doudnabacteria, po průkopnici úpravy genomu CRISPR Jennifer Doudnové. "Berkeley nyní dominuje stromu života stejně jako periodické tabulce," říká Banfield a přikývne na šestnáct prvků objevených v Berkeley Lab a UC Berkeley.
Dalším velkým výsledkem je hlubší pochopení rolí podpovrchových mikrobů v globálně důležitých cyklech uhlíku, vodíku, dusíku a síry. Tyto informace pomohou lépe reprezentovat tyto cykly v prediktivních modelech, jako jsou klimatické simulace.
Vědci provedli metabolické analýzy 36 procent organismů zjištěných v systému zvodnělých vrstev. Zaměřili se na fenomén zvaný metabolické předávání, což v podstatě znamená, že odpad jednoho mikroba je potravou jiného mikroba. Z laboratorních studií je známo, že při určitých reakcích je potřeba předávání, ale tyto propojené sítě jsou v reálném světě rozšířené a mnohem složitější.
Abyste pochopili, proč je důležité co nejpřesněji reprezentovat metabolické předávání v modelech, zvažte dusičnany, kontaminant podzemní vody z hnojiv. Podpovrchové mikroby jsou primární hnací silou při redukci dusičnanů na neškodný plynný dusík. V tomto procesu denitrifikace jsou čtyři kroky a třetí krok vytváří oxid dusný – jeden z nejúčinnějších skleníkových plynů. Proces se zhroutí, pokud mikroby, které provádějí čtvrtý krok, jsou neaktivní, když do systému vstoupí pulz dusičnanů.
„Pokud mikroby nejsou schopny přijmout předávání oxidu dusného, skleníkový plyn unikne do atmosféry,“říká Anantharaman.
Vědci zjistili, že cykly uhlíku, vodíku, dusíku a síry jsou všechny řízeny metabolickými přenosy, které vyžadují nečekaně vysoký stupeň vzájemné závislosti mezi mikroby. Naprostá většina mikroorganismů nedokáže úplně redukovat sloučeninu sama. Chce to tým. Existují také záložní mikrobi, kteří jsou připraveni provést předání, pokud nejsou mikrobi prvního řetězce k dispozici.
„Kombinace vysoké mikrobiální diverzity a propojení prostřednictvím metabolických předávání pravděpodobně vede k vysoké odolnosti ekosystému,“říká Banfield.
