מדענים פיתחו שיטה פורצת דרך לקשר בין גנטיקה לפעילותם של חיידקים אנאירוביים, וחושפת תובנות מפתח לגבי קהילות מיקרוביאליות עמוק מתחת לפני כדור הארץ. גישה זו, המציגה חיידק דומיננטי באקוויפר של עמק המוות, פותחת אפיקים חדשים להבנת תפקידי חיידקים בתהליכים גלובליים.
צוות של מדענים בראשות חוקרים במעבדת Bigelow למדעי האוקיינוס פיתח שיטה חדשנית לקשר בין הגנטיקה והתפקוד של חיידקים בודדים החיים ללא חמצן עמוק מתחת לפני כדור הארץ.
מדידת שתי התכונות הללו – וחשוב מכך, חיבורן יחד – היא כבר מזמן אתגר במיקרוביולוגיה, אך היא קריטית להבנת תפקידן של קהילות מיקרוביאליות בתהליכים גלובליים כמו מחזור הפחמן.
הגישה החדשה, שפותחה במרכז הגנומיקה של תא יחיד של ביגלו, אפשרה לחוקרים לגלות כי מִין של חיידק שצורך סולפט היה לא רק האורגניזם הנפוץ ביותר אלא גם הפעיל ביותר באקוויפר מי תהום מתחת לעמק המוות, כמעט חצי מייל מתחת לפני השטח. הממצאים, שפורסמו ב- הליכים של האקדמיה הלאומית למדעיםהראה כיצד שיטה זו יכולה להיות כלי רב עוצמה למדידת עד כמה פעילים אורגניזמים שונים בסביבות קיצוניות אלו.
תובנות על דינמיקת קהילה מיקרוביאלית
"בעבר, היינו צריכים להניח שכל התאים פעלו באותו קצב, אבל עכשיו אנחנו יכולים לראות שיש מגוון רחב של רמות פעילות בין חברים בודדים של הקהילות המיקרוביאליות", אמר מדען מחקר ומחבר ראשי בעיתון Melody לינדזי. "זה עוזר לנו להבין למה הקהילות המיקרוביאליות האלה מסוגלות וכיצד זה עשוי להשפיע על מחזורים ביו-גיאוכימיים גלובליים."
צוות המכון לחקר המדבר מחלץ דגימות מחור הקידחה בעמק המוות. קרדיט: דואן מוזר, המכון לחקר המדבר
המחקר האחרון הוא חלק מפרויקט גדול יותר הקושר את הקוד הגנטי של חיידקים – התוכנית של מה שהם מסוגלים לעשות – למה שהם באמת עושים בכל רגע נתון.
התקדמות מתודולוגית
ממומן על ידי תוכנית EPSCoR של NSF, פרויקט "גנומים לתופעות" הוא מיזם משותף בין מעבדת Bigelow, המכון לחקר המדבר ואוניברסיטת ניו המפשייר. זה ממנף את ההתקדמות האחרונה בריצוף גנטי של תא בודד עם גישה יצירתית המיישמת ציטומטריית זרימה כדי להעריך את שיעורי התהליכים, כגון נשימה, המתרחשים בתוך אותם תאים.
Flow cytometry, שיטה לניתוח חיידקים סביבתיים בודדים שהותאמה במעבדת Bigelow מהמדעים הביו-רפואיים, אפשרה לחוקרים למיין במהירות חיידקים חיים בדגימות מי האקוויפר. החיידקים האלה הוכתמו בתרכובת שתוכננה במיוחד שנדלקת מתחת ללייזר הזרימה הציטומטרית כאשר מתרחשות תגובות כימיות מסוימות בתוך התא. הקשר בין מידת הקרינה של התא תחת הלייזר לבין קצב התגובות הללו עובד בניסוי עם תרביות תאים שגדלו במעבדה על ידי מתמחים במעבדת Bigelow ולאחר מכן הוחל על דגימות עמק המוות.
ברגע שהתאים הפעילים נמדדו ובודדו, הצוות רצף את הגנום האישי שלהם. החוקרים השתמשו גם ב-meta-transcriptomics, שיטה לקביעה אילו גנים מתבטאים באופן פעיל, ובנותבים רדיואיזוטופים, שיטה מסורתית יותר למדידת פעילות בתוך קהילה מיקרוביאלית. זה נעשה הן כדי "לבדוק פעמיים" את התוצאות שלהם והן כדי לקבל עוד יותר מידע על הקשרים בין מה שהחיידקים האלה מסוגלים גנטית למה שהם עושים בפועל.
מרכז הגנומיקה של תא יחיד הוא המתקן האנליטי היחיד בעולם המציע טכניקה חדשה זו לחוקרים.
"מחקר זה היה הזדמנות מרגשת עבור צוות המחקר שלנו וה-SCGC לעזור לשפר את ההבנה שלנו של המערכות האקולוגיות המיקרוביאליות העצומות והחידתיות מתחת לאדמה", אמר מדען המחקר הבכיר במעבדת Bigelow Ramunas Stepanauskas, מנהל SCGC והחוקר הראשי של הפרויקט.
מחקר חדש זה מתבסס על ההדגמה הראשונה של גישה זו לכימות הפעילות של תאים בודדים. בסוף 2022, הצוות פרסם ממצאים על חיידקים במי ים, והראו שחלק קטן של מיקרואורגניזמים אחראי לצריכת רוב החמצן באוקיינוס. עם המאמר החדש הזה, הצוות מרחיב את השיטה כדי להראות שניתן להשתמש בה בסביבות ביומסה נמוכה עם חיידקים שאינם מסתמכים על חמצן. בדגימות שנלקחו מהאקוויפר התת-קרקעי בקליפורניה, למשל, העריכו המדענים שיש מאות תאים למיליליטר מים, בהשוואה למיליוני תאים במיליליטר טיפוסי של מים עיליים.
"התחלנו עם אורגניזמים נושמים חמצן באוקיינוס כי הם קצת יותר פעילים, קצת יותר קל למיין, וקל יותר לגדל אותם במעבדה", אמרה לינדזי. "אבל נשימה אירובית היא רק תהליך אחד אפשרי במיקרוביולוגיה, אז רצינו להסתעף מעבר לזה."
הרחבת היקף המחקר המיקרוביאלי
התוצאות אישרו כי החיידק מועמד Desulforudis audaxviator היה לא רק החיידק השכיח ביותר בסביבה זו, אלא גם הפעיל ביותר, מפחית סולפט לאנרגיה. שיעורי הפעילות הכוללים שהצוות מדד היו נמוכים בהשוואה לדגימות מי הים מהמחקר הקודם, אך היו הבדלים גדולים בין מידת הפעילות של חיידקים בודדים.
צוות המחקר פועל כעת ליישם את השיטה שלהם למדידת תגובות אנאירוביות אחרות, כגון הפחתת חנקה, ולסביבות חדשות, כולל משקעים לאורך חופי מיין. פרויקט קשור הממומן על ידי נאס"א היא גם מאפשרת ללינדזי ועמיתיה לבדוק את השיטה בתת הקרקע העמוק מתחת לאוקיאנוס.
"כרגע, אנחנו מקבלים את כל מדידות הנקודות האלה ברחבי העולם, והן עוזרות לנו להבין טוב יותר מה חיידקים זומם, אבל אנחנו צריכים להגדיל את זה," אמרה לינדזי. "אז, אנחנו חושבים כיצד ליישם את השיטה הזו במקומות חדשים, אפילו בפוטנציה על כוכבי לכת אחרים, בדרכים מורחבות."
