بررسی ذرات فعال میکروبیوم خاک با استفاده از BONCAT-FACS
در گزارشی که در Nature Communications منتشر شد، گروهی از دانشمندان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (Berkeley Lab) در مورد استفاده از تکنیک به نام BONCAT برای جداسازی میکروب های فعال موجود در یک نمونه از خاک، توضیح دادند. یک دستاورد که می تواند موجی از علم جدید را فعال کند.
استلا کورادهو، نویسنده اصلی این مطالعه گفت: "خاک ها احتمالا متنوع ترین جوامع میکروبی سیاره اند." "در هر گرم خاک، میلیاردها سلول از ده ها هزار گونه وجود دارد که همگی آنها چرخه های مهم مواد مغذی زمین را انجام می دهند. آنها ستون فقرات اکوسیستم های زمینی هستند و میکروبیوم های خاک سالم کلیدی برای کشاورزی پایدار هستند. اکنون ابزارهایی داریم برای دیدن اینکه که این گونه ها چه هستند، اما ما هنوز نمی دانیم آنها چه کاری انجام می دهند. این مطالعه اثبات مفهومی نشان می دهد که BONCAT یک ابزار موثر است که ما می توانیم برای اتصال میکروب های فعال به فرایندهای محیطی استفاده کنیم. "
برای دو سال گذشته، کورادهو، همکارانش و بسیاری از محققان دیگر از سراسر ایالات متحده در منطقه تمرکز علمی آزمایشگاه برکلی به نام ENIGMA (برای اکوسیستم ها و شبکه های مجتمع شده با ژن ها و مجامع مولکولی) همکاری کرده اند کاوش عمیق تر در کارهای داخلی میکروبیوم خاک. پروژه ENIGMA برای اهالی زیست شناس و دانشمندان انرژی و زمین نه تنها به این دلیل است که به شکاف در دانش ما در مورد چگونگی عملکردهای محیط کمک می کند، بلکه همچنین به این دلیل که این بینش های اساسی می توانند به دانشمندان کمک کنند تا موثرترین میکروبیوم ها را برای بهبود مقاومت محصولات به خشکی، حذف آلاینده ها از محیط زیست و تولید پایدار و سایر محصولات بیولوژیکی بکار گیرند.
با این حال، چرا که بیشتر میکروب های خاک در کشت های آزمایشگاه رشد نمی کنند و به دلیل فراوانی که در زیستگاه های طبیعی آنها واقعا شگفت آور است، بررسی اینکه کدام گونه های میکروبی چه کاری انجام می دهند واقعا دشوار است. ترنت نورتن، نویسنده و مدیر بیوتکنولوژی برای ENIGMA، گفت: "موانع زیادی وجود دارد تا فعالیت های میکروبی و تعاملات را اندازه گیری کنند." "به عنوان مثال، میکروبیوم خاک که زباله ها را از مخازن آب زیرزمینی دفع می کند صدها فوت در زیر سطح زمین پیدا می شوند و در برخی از اکوسیستم ها، تا 95٪ از میکروب ها در هر زمان معینی غیر فعال هستند."
از آنجایی که مشاهده مستقیم غیرممکن است، میکروب شناسان به طور معمول نمونه های محیطی را جمع آوری می کنند و به روش های غیرمستقیم مانند توالی یابی DNA برای تشخیص جوامع متکی هستند. با این حال، بسیاری از تکنیک های معمول استفاده شده در تمایز بین میکروب های فعال از کسانی که خاموش و یا از فراوانی ذرات شناور آزاد DNA یافت شده در خاک و رسوب شکست می خورند.
BONCAT یک ابزار مرتب سازی بسیار موثر میکروبی است که به دانشمندان اجازه می دهد تا میکروب های فعال را تشخیص دهند. اکنون که برای استفاده در نمونه های خاک اقتباس شده است، این ابزار به تحقیق در مورد چگونگی تاثیر میکروبیوم خاک بر چرخه های زیست محیطی در مقیاس بزرگ کمک می کند. اعتبار: سوزان برند و مریلین چانگ / آزمایشگاه برکلی
BONCAT، کوتاه شده Bioorthogonal Non-Canonical Amino Acid Tagging، توسط ژنتیک کالتک در سال 2006 به عنوان راهی برای جداسازی جدید پروتئین ها در سلول ها اختراع شد. در سال 2014، رکس مالمستروم، دانیل گوودو و دیگران در بخش انرژی آمریکا (DOE) موسسه مشترک ژنوم (DOI)، یک مرکز کاربردی از مدیریت علمی تحت مدیریت آزمایشگاه برکلی، با آزمایشگاه اورفان ویکتوریا در کالتک همکاری کردند تا BONCAT را به ابزاری بدل کنند که می تواند خوشه های فعال، همزیستی دهها تا صدها میکروب دریایی را در رسوبات اقیانوس شناسایی کند. پس از پالایش بیشتر روش خود، BONCAT Fluorescent-Activated Cell Sorting (BONCAT + FACS) نام گرفت، آنها قادر به شناسایی میکروب های فعال فردی بودند.
همانطور که از نام این نام بر می آید، BONCAT + FACS به دانشمندان اجازه
می دهد تا ارگانیسم های تک سلولی را بر اساس وجود یا عدم وجود مولکول های
برچسب گذاری فلورسنت، که به یک نسخه اصلاح شده از متیونین اسید متصل هستند،
مرتب کند. هنگامی که مایع حاوی متیونین اصلاح شده به یک نمونه از میکروب
ها معرفی می شود، تنها آنهایی که پروتئین های جدید تولید می کنند، مشخص
کننده فعالیت، متیونین اصلاح شده را به سلول ها می رساند.
علاوه بر
اینکه بسیار ساده تر و قابل اطمینان تر از روش های قبلی شناسایی میکروبی
است، کل پروسه فقط چند ساعت طول می کشد؛ به این معنی که می تواند سلول های
فعال را نشان دار کند حتی اگر آنها همانند سازی نکنند.
چارلز پارادیس، که اکنون یک محقق پس از دکترا در آزمایشگاه ملی لس آلاموس است، یک نمونه هسته خاک گرفته شده از سایت تحقیقاتی فیلد اوج ریج در تنسی در دست دارد. تست بهینه سازی BONCAT + FACS در مطالعه حاضر از نمونه هایی مانند این استفاده کرد. اعتبار: Lance E. King/ Y-12 National Security Complex
حرکت به جلو، BONCAT + FACS توانایی در دسترس برای محققانی است که مایل به همکاری از طریق برنامه های کاربردی JGI هستند. نورتن و مالمستروم قبلا چندین پیشنهاد از گروه های تحقیقاتی که مایل به شروع کار با این ابزار هستند، از جمله گروه هایی از آزمایشگاه برکلی دریافت کرده اند که امیدوارند از BONCAT برای ارزیابی تغییرات محیطی گروه های میکروب ها استفاده کنند. نورتن گفت: "با استفاده از BONCAT، ما قادر خواهیم بود تا فورا متوجه شویم که چگونه میکروبیوم ها به نوسانات زیستگاه طبیعی و رویدادهای شدید آب و هوایی مثل خشکسالی و سیل واکنش نشان می دهند که بیشتر و بیشتر می شوند."
بر طبق گفته های کورادهو، تیم انتظار دارد که این رویکرد، انواع مختلفی از مهم ترین و جذاب ترین خطوط مطالعه را تکان دهد، از قبیل بهبود عملکردهای زمین های کشاورزی، ارزیابی حساسیت آنتی بیوتیک در میکروب های غیرقابل کشت، و بررسی نقش کاملا نامعلوم Kandidatus Dormibacteraeota - نوعی از باکتری های خاک که در سرتاسر جهان یافت می شوند، بیشتر به نظر می رسند که در حالت سکون قرار دارند.
مالمستروم با تفکر درباره اینکه چگونه او و همکارانش در دستیابی به اهدافی که بسیاری از آنها دنبال کرده اند، به تنوع دانشمندان در ENIGMA و JGI اشاره کرد. "این یک نمونه واقعی از علم تیمی است، چرا که هیچ فردی به تنهایی هیچ وقت تخصص انجام همه اینها را ندارد و نخواهد داشت."
منبع:
آزمایشگاه ملی لارنس برکلی
