2023 Avtor: Sophia Otis | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-05-21 01:53
Mikrobne skupnosti opravljajo pomembne funkcije povsod okoli nas - od zemlje v naših cvetličnih lončkih do človeškega črevesja. Zdaj so raziskovalci razvili metodo za podrobno preučevanje presnovnih funkcij mikrobnih skupnosti. Zahvaljujoč novemu algoritmu, ki so ga razvili na UFZ, je zdaj prvič mogoče uporabiti vključitev stabilnih izotopov ogljika v beljakovine za veliko podrobnejše raziskovanje naravnih procesov remineralizacije, za identifikacijo pomembnih ključnih vrst in za preučevanje njihovega načina. sodelujejo v zapletenih procesih razgradnje.
Nova tehnika Protein-SIP omogoča zelo natančno merjenje pretoka ogljika v mikrobnih skupnostih, pravijo raziskovalci iz Helmholtzovega centra za okoljske raziskave (UFZ), Inštituta Max Planck za biologijo okužb in univerz v Oslu in Greifswald piše v molekularni in celični proteomiki.
Čeprav je bilo v preteklosti mogoče identificirati vrste z metabolično aktivnostjo z analizo DNK ali RNA, lahko nova metoda identificira tudi pretok ogljika in s tem prehranjevalne verige znotraj mikrobne skupnosti. To pomeni, da je zdaj mogoče analizirati interakcijo med posameznimi skupinami mikroorganizmov znotraj skupnosti.
Mikrobiologi po vsem svetu trenutno trdo delajo, da bi raziskali svet bakterij, ki živijo na in v človeškem telesu. Obseg potencialnih aplikacij je ogromen in lahko sega od forenzične medicine in enostavnejše medicinske diagnoze do popolnoma novih zdravljenj. Vendar pa preprosto prepoznavanje genov ni dovolj, saj bakterije ne živijo same, ampak v velikih skupnostih."To je kot mesto z veliko ljudmi. Predstavljajte si, da izbruhne požar. Običajno bi se gasilci spopadli z njim, a če ni gasilcev v bližini, morajo drugi ljudje posredovati, da preprečijo nesrečo," pojasnjuje dr. Ingo Fetzer z UFZ. "Toda kdo je odgovoren za kaj znotraj teh mikrobnih skupnosti?" To je pomembno vprašanje, ki ga znanstveniki šele začenjajo raziskovati." In ne gre samo za človeško črevesno floro. Mikrobi so drobni organizmi, ki jih človeško oko ne vidi, nadzorujejo vse glavne biološke procese na zemlji - od globalni cikel ogljika do remineralizacije organskih materialov in razgradnje škodljivih snovi.
Število vrst višjih organizmov na planetu je ocenjeno na med pet in 100 milijoni. Obstajajo le nejasna ugibanja o številu vrst mikroorganizmov. To pomeni, da se morajo raziskovalci osredotočiti na le nekaj vrst. Kako je torej mogoče identificirati ključne organizme znotraj mikrobnih skupnosti? Da bi lažje odgovorili na to vprašanje, so raziskovalci Helmholtzovega centra za okoljske raziskave združili uporabo stabilnih izotopov z meritvami beljakovin z uporabo masne spektrometrije in bioinformatike.
V novi metodi se mikrobne skupnosti hranijo z virom ogljika, ki vsebuje težak, neradioaktivni izotop 13C kot tudi običajni ogljik, 12 C. Masi dveh izotopov se razlikujeta za 1,0035 atomske masne enote. Ker so stabilni izotopi, je metoda znana tudi kot sondiranje stabilnih izotopov (SIP). Ko bakterije zaužijejo izotopsko označen substrat, se atomi 13C vgradijo v bakterijske beljakovine. Bakterije, ki uporabljajo sam substrat, najprej vključijo 13C. Druge vrste bakterij uporabljajo samo metabolite iz prve skupine in v svoje beljakovine vključijo manj 13C in to storijo pozneje.
Za analizo se beljakovine vseh vrst bakterij iz vzorca ekstrahirajo in razrežejo na specifične fragmente z uporabo encima tripsina. Fragmente analiziramo z masnim spektrometrom, da določimo zaporedje aminokislin peptidov. V primerjavi z zbirko genomov to razkrije izvor peptida, tj.e. bakterijo, iz katere prihaja. Peptidi so proteinski fragmenti - organske spojine, ki vsebujejo številne aminokisline. Ti so sestavljeni predvsem iz ogljika in dušika, ki sta dva od osnovnih gradnikov vseh molekul v organizmih in se zato prenašata tudi v mešanih mikrobnih kulturah. V drugem koraku raziskovalci izračunajo stopnjo vključitve 13C. Stopnja 13C nato zagotavlja elegantno, neposredno in natančno merjenje presnovne aktivnosti zadevne vrste.
"To ključno tehnologijo smo prvič preizkusili leta 2008 v skupnem projektu, ki sta ga izvedla dva oddelka UFZ za analizo presnovne aktivnosti ene specifične vrste bakterij v mešani kulturi. Preučevali smo strukturo in delovanje mikrobov skupnosti, ki se že leta ukvarjajo z razgradnjo škodljivih snovi. Toda šele s prihodom novih masnih spektrometrov in njihovih natančnejših meritev smo uspeli doseči preboj pri razvoju metode,« pravi koordinator projekta dr. Martin von Bergen iz Oddelek za proteomiko
Zdaj je mogoče izračunati stopnjo vgradnje 13C v peptide z uporabo decimalnih mest peptidnih mas. Raziskovalci uporabljajo odstopanje 0,0035 v enotah atomske mase nad teoretično natančno številko 1.000 enot atomske mase med 12C in 13C. Ker je v peptidu več kot 20 atomov ogljika, so decimalna mesta premaknjena za približno 0,07 enot atomske mase. Prof. Hauke Harms z Oddelka za okoljsko mikrobiologijo je z novo metodo zelo zadovoljen: "Naš novi algoritem bo v prihodnosti močno olajšal raziskovalno delo. Metoda ponuja velik potencial za preučevanje skupnosti, ki so v središču mikrobne ekologije."
S podporo Nemške raziskovalne fundacije (DFG) in EU bodo raziskovalci zdaj identificirali ključne organizme pri razgradnji onesnaževal okolja, kot so benzen in policiklični ogljikovodiki v odsotnosti kisika."V povezavi z drugimi tehnikami je Protein-SIP zelo dobro orodje za raziskovanje prehranjevalne mreže, ki je na primer vključena v razgradnjo benzena. Protein-SIP se že uporablja v projektih z nacionalnimi in mednarodnimi partnerji za identifikacijo presnovnih aktivnosti metanske bakterije iz naftnih nahajališč in cikel metana v morskih sedimentih, " dodaja dr. Hans Richnow (Oddelek za izotopsko biogeokemijo). Ti projekti so pomembni za zagotavljanje oskrbe z energijo in ohranjanje kakovosti okolja.
Protein-SIP metoda omogoča sledenje pretoka ogljika znotraj mešanih bakterijskih kultur. Druge možne aplikacije vključujejo obdelavo biofilmov, kot so tisti, ki se uporabljajo v kanalizacijskih delih, ter optimizacijo procesov proizvodnje bioplina in analizo človeškega črevesja. Naslednji korak za raziskovalce s sedežem v Leipzigu je preučiti razmerje med črevesnimi bakterijami termitov in deževnikov ter njihovimi gostiteljskimi organizmi.
