Nuevo método esclarece la actividad microbiana mediante el uso de las tasas de respiración de células individuales
Científicos del Laboratorio Bigelow han desarrollado un fascinante método para vincular la actividad de microbios individuales con su código genético único, lo que representa la primera aplicación de este enfoque en sedimentos.
El método combina la genómica de células individuales y la citometría de flujo para cuantificar las tasas de respiración individuales de diferentes taxones. Reveló que los sedimentos con bajo contenido de oxígeno de la costa de Maine albergan una comunidad microbiana diversa que parece prosperar en un entorno en el que está regularmente sujeta a alteraciones causadas por rápidos cambios de temperatura, mareas y más.
"Los sedimentos marinos son importantes ecosistemas para el ciclo químico activo, y algunas de las comunidades con mayor diversidad microbiana que se encuentran en la Tierra viven allí", dijo Melody Lindsay, científica investigadora del Laboratorio Bigelow que dirigió el estudio. "Fue un lugar natural —y fascinante— para avanzar en nuestro método de esclarecer la actividad microbiana mediante el uso de las tasas de respiración de células individuales".
En el artículo participan investigadores del Centro de Genómica de Células Únicas y del Centro de Citometría Acuática del Laboratorio Bigelow, así como varios pasantes universitarios que ayudaron con el muestreo de campo y los experimentos de laboratorio.
Los sedimentos costeros poco profundos ayudan a controlar el flujo de energía y nutrientes de la tierra al océano. Dado que el oxígeno penetra solo unos pocos milímetros por debajo de la superficie, los microbios que viven en este entorno tienden a depender de procesos químicos distintos a la respiración, o "resuello", de oxígeno para sobrevivir. Sin embargo, perturbaciones como la sedimentación y la presencia de animales excavadores introducen regularmente oxígeno y materia orgánica en el subsuelo. El equipo se propuso comprender el impacto de esta mezcla y perturbación física.
Imagen derecha: Eliza Goodell, estudiante de pregrado en prácticas en Oberlin College, extrae un núcleo de sedimento de Edgecomb Eddy. Crédito: Melody Lindsay, Laboratorio Bigelow de Ciencias Oceánicas.
"Sabemos que la abundancia y diversidad de microbios en los sedimentos oceánicos es mucho mayor que en la columna de agua superior, pero sabemos mucho menos sobre sus funciones y actividades reales", dijo el científico investigador principal David Emerson, coautor del artículo. "Este método proporciona una poderosa forma de revelar nuevos conocimientos sobre una parte vasta y poco estudiada del entorno marino".
Aunque los científicos han medido tradicionalmente las tasas de recambio químico y otros procesos para la comunidad microbiana en su conjunto, este esfuerzo más amplio está revolucionando la comprensión de la actividad a nivel individual y cómo se vincula con el potencial genómico.
El nuevo y revolucionario método fue desarrollado por el Laboratorio Bigelow gracias a una subvención de 6 millones de dólares de la Fundación Nacional de Ciencias. En 2022, los investigadores aplicaron el método por primera vez a la superficie del océano, demostrando cómo una pequeña proporción de microbios consume la mayor parte del oxígeno. El año pasado, lo probaron con muestras de un acuífero situado en las profundidades del Valle de la Muerte, lo que ilustra la aplicabilidad del método en entornos con baja biomasa y limitado oxígeno.
Para el estudio actual, el equipo volvió a utilizar la citometría de flujo, tiñendo las células con una sustancia química llamada RedoxSensor Green. La intensidad con la que las células teñidas se iluminan bajo un láser se correlaciona con la velocidad a la que respiran dichas células. Luego se secuenció el ADN de cada célula individual para comprender la relación entre su tasa de actividad y lo que está programada para hacer. Esta técnica combinada permite a los investigadores obtener una instantánea de la biodiversidad microbiana y determinar qué especies son las más abundantes y activas.
"El Centro de Genómica de Células Únicas es la primera instalación del mundo capaz de realizar estudios a gran escala de genomas y actividades microbianas con la máxima resolución en biología: células individuales", dijo Ramunas Stepanauaskas, director del centro y coautor del estudio. "Es emocionante que esta tecnología única nos haya permitido arrojar luz sobre estos importantes procesos ecológicos y una diversidad biológica verdaderamente asombrosa en un entorno tan abundante y, a la vez, tan poco explorado".
Para probar la capacidad de los microbios de adaptarse a las perturbaciones, un aspecto nuevo del proyecto, el equipo añadió diferentes cantidades de oxígeno y laminarina, un abundante carbohidrato producido por las algas pardas y algo de fitoplancton común a lo largo de la costa de Maine.
Imagen: David Emerson, científico investigador principal del Laboratorio Bigelow, recolecta muestras del remolino Edgecomb en la costa de Maine. Crédito: Fritz Freudenberger, Laboratorio Bigelow de Ciencias Oceánicas.
"Al perturbar el sistema de una manera que tenga relevancia en el mundo real, podemos determinar los efectos de, por ejemplo, un gusano que se entierra en el sedimento trayendo oxígeno o algas que se degradan en el fondo de una marisma", dijo Lindsay.
Los hallazgos demuestran que las células sulfato-reductoras del filo Chloroflexota fueron, con diferencia, las más activas en los sedimentos, aunque no las más abundantes. Los investigadores también descubrieron que la adición de incluso pequeñas concentraciones de oxígeno y laminarina estimulaba la respiración. Las células de Chloroflexota presentan diversidad metabólica, capaces de utilizar tanto el oxígeno como otros procesos químicos. Esa "flexibilidad genética", sugirió Lindsay, podría explicar su predominio.
"Partimos de la hipótesis de que el oxígeno lo envenenaría todo, pero resulta que las células son capaces de resistirlo e incluso aprovecharlo", dijo Lindsay. "Esto sugiere que la comunidad microbiana que vive en este caprichoso entorno es más resiliente de lo que se creía inicialmente".
Los hallazgos subrayan la increíble variedad de microorganismos que viven en estos entornos extremos y el valor de un enfoque célula por célula para analizar esa diversidad.
Con ese fin, el equipo trabaja actualmente para ampliar su conocimiento sobre los sedimentos costeros de Maine. Gracias a la financiación de Kickstarter del Laboratorio Bigelow, han comenzado a examinar muestras más profundas de los mismos sitios de estudio, utilizando el mismo diseño experimental, para observar cómo cambia con la profundidad la comunidad microbiana.
Al mismo tiempo, continúan perfeccionando el método para entornos cada vez más extremos, aplicándolo a sedimentos recolectados a través del Programa Internacional Ocean Discovery a más de un kilómetro por debajo de la dorsal mesoatlántica, un entorno que alberga órdenes de magnitud menos células.
"La ventaja de este enfoque unicelular, posible gracias al Centro de Citometría Acuática y al Centro de Genómica de Células Únicas, es que podemos identificar entornos con baja biomasa donde hay tan pocas células que de otro modo sería imposible realizar una medición", afirmó Lindsay. "Mi sueño es incorporar un citómetro de flujo a una misión como la del módulo de aterrizaje Europa de la NASA, para que podamos usar esta técnica para detectar posible actividad metabólica en otros mundos".
Los hallazgos se publicaron recientemente en The ISME Journal: Laminarin stimulates single cell rates of sulfate reduction whereas oxygen inhibits transcriptomic activity in coastal marine sediment
