Блог

May 30, 2023

Продольный анализ горячих источников «Пять сестер» в Йеллоустонском национальном парке выявил динамическую термощелочную среду.

Scientific Reports Volume 12, Номер статьи: 18707 (2022) Цитировать эту статью 1369 Доступов 2 Подробности Altmetric Metrics Были проведены исследования, посвященные микробным популяциям термощелочных источников.

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 18707 (2022) Цитировать эту статью

1369 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Исследования, сосредоточенные на микробных популяциях термощелочных источников, в значительной степени были вызваны желанием открыть функциональные ферменты для промышленного применения в средах с высоким pH и высокой температурой. Хотя несколько исследований были сосредоточены на понимании фундаментальной экологии этих источников, профили малых молекул термощелочных источников по большей части упускались из виду. Чтобы лучше понять, как связаны геохимия, состав малых молекул и микробные сообщества, мы провели трехлетнее исследование источников «Пять сестер» (FS), которое включало геохимические измерения с высоким разрешением, секвенирование 16S рРНК бактериального и архейного сообщества, а также характеристика метаболитов и внеклеточных малых молекул на основе масс-спектрометрии. Интеграция четырех наборов данных облегчила всесторонний анализ переплетенной термощелочной пружинной системы. В ходе исследования микробная популяция реагировала на изменяющиеся условия окружающей среды: относительная численность и разнообразие популяций архей уменьшались по сравнению с бактериальными популяциями. Уменьшение относительной численности архей было связано с изменениями окружающей среды, которые включали снижение доступности специфических азот- и серосодержащих внеклеточных малых молекул и колебания метаболических путей, связанных с круговоротом азота. Этот многофакторный анализ показывает, что состав микробного сообщества более тесно коррелирует с пулами внеклеточных малых молекул, чем с геохимией термальных источников. Это новое открытие, которое предполагает, что ранее упускаемый из виду компонент термальных источников может оказывать значительное влияние на состав микробного сообщества.

Термощелочные источники – уникальная среда биологического и промышленного значения. Коммерческое применение этих систем хорошо документировано, и текущие усилия по поиску термощелочной биоразведки широки1. Успешным примером является коммерциализация набора термостабильных ферментов, включая липолитические и гидролитические ферменты2,3. Особый интерес представляет разработка термостабильных целлюлозолитических ферментов, способных превращать лигноцеллюлозную биомассу в сахара и, в конечном итоге, в этанол в промышленных условиях4. Потенциал разработки термо- и pH-стабильных ферментов для коммерческого применения и интерес к экологии этих систем привели к накоплению геохимических и микробных филогенетических данных5,6,7,8.

Наряду с биоразведкой, исследованиям также способствовала термощелочная экология. Благодаря этой работе было показано, что температура является важным фактором микробного разнообразия: повышение весенних температур приводит к уменьшению микробного разнообразия9,10,11. Повышение температуры также было связано с увеличением численности и разнообразия архей11,12. Было показано, что термофилы переносят широкий диапазон pH 10,13. Также было продемонстрировано, что pH является важным фактором численности и разнообразия в термальных средах, при этом нейтральные и щелочные источники поддерживают более разнообразные микробные популяции13,14. Однако сами по себе эти два фактора не полностью объясняют скопление микробных популяций в тепловых системах15. Было показано, что термощелочные источники содержат широкий спектр бактерий и архей, при этом несколько общих клад обитают в источниках с различной геохимией и географическим положением9,16. Преобладающие микробы в описанных источниках включают Chloroflexi, Deinococcus, Nitrospiral, Cyanobacteria, Proteobacteria, Thermodesulfobacteria, Aquificae, Thermotague, Thermococcales и Crenarchaeota9,14,16,17.

Несмотря на возросший интерес и исследования этих систем, пробелы в знаниях остаются2. Например, временная динамика термощелочных микробных популяций на протяжении нескольких лет редко исследовалась17,18,19, и, насколько нам известно, анализы, объединяющие микробный состав с внутриклеточным метаболомом и внеклеточным составом малых молекул, не проводились. Это особенно касается зимнего отбора проб из горячих источников в YNP, доступ к которым ограничен. Проблемы, связанные с расширением знаний о термощелочных источниках, включают культивирование микробов. Для подтверждения специфического метаболического потенциала и экологического вклада отдельных микробов часто требуется культивирование изолятов. Экстремальные условия, такие как термощелочные источники, затрудняют усилия по изоляции при использовании традиционных методов культивирования, особенно в отношении архей16,20. Получение внеклеточного и внутриклеточного понимания термощелочной среды имеет широкие последствия, включая улучшение усилий по культивированию путем предоставления понимания малых молекул окружающей среды и метаболических сетей.