Forskare visade värdet av att utföra storskalig enkelcellsgenomik genom att samla in nästan 500 enstaka celler från ett enda lågdiversitetsprov från varma källor. Deras arbete visade att encellsgenomik kan tillföra ett betydande värde till de andra vanliga kulturoberoende sekvenseringsmetoderna inklusive amplikon och metagenomisk sekvensering. Till exempel visade de att samhällets sammansättning var likartad över sekvenseringsmetoder, att artspecifika uppsättningar av enstaka celler hade mobila genetiska element som saknades inom parade metagenom assembled genomes (MAGs), och att dominanta populationer varierade med avseende på mängden av inom artrekombination, vilket indikerar variation i genflödet mellan de analyserade samhällsmedlemmarna.

Även om mikrober hjälper till att reglera planetens näringskretslopp och potentiellt kan användas inom områden som sträcker sig från jordbruk till bioteknik och medicin, förblir de allra flesta i, på och runt planeten okända. Under de senaste åren har framsteg inom sekvenseringsteknik och bioinformatiska verktyg hjälpt till att avkoda arvsmassan hos tiotusentals tidigare okända och oodlade mikrober genom metagenomik. Sådana tekniker drar fördel av bioinformatiska verktyg för att extrahera bitar av mikrobiella genom direkt från miljösekvensdata, genom att sätta ihop varje genom från stora blandningar av genomiska sekvenser. En kompletterande metod för detta är enkelcellsgenomik, där celler från miljöprover först separeras och deras genom sedan amplifieras och sekvenseras individuellt, vilket ger forskare möjligheten att tillämpa populationsgenomiska metoder på närbesläktade celler plockade direkt från miljön.

Dewar Creek är en avlägsen varm källa, djupt inne i British Columbias backcountry (Purcell Wilderness Conservancy Provincial Park of British Columbia, BC Parks). I dessa källor kan temperaturerna nå så höga som 80C (~ 190F), men mikrober trivs här. Samhällena i denna extrema miljö är ofta mindre olika än de inom mer moderata ekosystem. För några år sedan identifierades en kandidatbakterielinje från mikrobiella och metagenomsekvensdatauppsättningar genererade från en handfull varma källor, inklusive Dewar Creek.

Forskare från University of Calgary och U.S. Department of Energy (DOE) Joint Genome Institute (JGI), en DOE Office of Science User Facility belägen vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), fortsatte att utforska sin unika miljö. cellsekvensering för att bedöma mångfalden inom och mellan mikrobiella populationer. Verket dök upp i The ISME Journal .

Medlemmar av Dunfield-labbet samlade in prover från denna varma källa. Ett enda prov användes sedan för att producera en parad amplikondatauppsättning (a.k.a. 16S rRNA-gensekvensering), ett hagelgevärmetagenom och en encellsdatauppsättning av nästan 500 enkelcellsgenom. Encellsdelen av detta arbete utfördes av Danielle Goudeau och Rex Malmström från JGI:s Microscale Applications-grupp. Celler sorterades slumpmässigt, hela genomet amplifierades, sekvenserades sedan och sattes ihop. Robert Bowers, en JGI-forskare inom det mikrobiella programmet, ledde genomiska analyser för att jämföra de resulterande datamängderna, och betonade användbarheten av encellssekvensering för att bedöma variationen inom naturliga mikrobiella populationer.

Var och en av de tre sekvenseringsmetoderna gav en generellt liknande gemenskapsprofil. Men varje tillvägagångssätt visar sitt fulla värde i olika skalor. Amplikonsekvensering används vanligtvis för att bedöma fluktuationer i mikrobiell mångfald över tusentals prover. Metagenomics tillämpas för närvarande på tiotals till hundratals prover, medan encellsmetoder vanligtvis har använts som ett komplement för att isolera sekvensering, d.v.s. när de riktade cellerna inte kan odlas i labbet.

Det som gör denna studie unik är tillämpningen av encellsgenomik på ett helt samhälle. Med tanke på den låga mikrobiella mångfalden hos den provtagna varma källan, täckte en datauppsättning av nästan 500 enstaka celler mångfalden av de flesta taxa i provet. Dessutom representerades de tre vanligaste linjerna av tillräckligt många enkelcellsgenom för att underlätta en analys av inom och mellan populationsheterogenitet genom att jämföra ATGC:erna för genomen från varje enskild cell. Teamet visade att medan den breda mångfalden på nukleotidnivå var liknande över de dominerande linjerna, visade varje mikrobiell grupp mycket olika rekombinationsprofiler. Detta liknar strukturen för sociala medienätverk där en social mediegrupp kan ha en relativt begränsad uppsättning vänner, medan en annan kan uppvisa få begränsningar för interaktioner och nya kopplingar, och därmed dela fler idéer, liknande delning av gener inom en mycket rekombinerande mikrobiell population. Detta arbete visar användbarheten av encellssekvensering, eftersom övervakning av heterogenitet på populationsnivå av oodlade mikrober kommer att ge forskare möjligheten att fånga den finskaliga variationen inom populationer som är en föregångare till diversifiering på stamnivå och mikrobiell artbildning.