Forskare har använt världens minsta, DNA-sekvenseringsenhet i smartphonestorlek för att övervaka hundratals olika bakterier i ett flod-ekosystem.

Skriver i journalen eLife , det tvärvetenskapliga teamet från University of Cambridge, STORBRITANNIEN, tillhandahålla praktiska och analytiska riktlinjer för användning av enheten, kallas MinION (från Oxford Nanopore Technologies), för att övervaka sötvattenhälsa. Deras riktlinjer lovar ett betydligt mer kostnadseffektivt och enkelt förhållningssätt till detta arbete utanför labbet, jämfört med befintliga metoder.

Roddare och simmare i Cambridge drabbas regelbundet av vattenburna infektioner som Weils sjukdom, leder ibland till offentliga stängningar av stadens ikoniska vattendrag. Övervakning av mikrobiella arter i sötvatten kan hjälpa till att indikera närvaron av sjukdomsalstrande mikroorganismer och till och med vattenföroreningar. Men traditionella tester för sötvattensbakterier kräver ofta välutrustade laboratorier och komplexa metoder för att odla kolonier av enskilda bakteriearter.

"Den direkta mätningen av alla bakteriella DNA-spår i sötvatten, ett tillvägagångssätt som kallas metagenomics, är ett värdefullt alternativ, men kräver fortfarande stora, dyr utrustning som kan vara svår att använda, " säger Andre Holzer, co-förste författare och Ph.D. student vid institutionen för växtvetenskaper, Universitetet i Cambridge. "Vi syftade till att beskriva de bakteriearter som finns i floden Cam med den nya bärbara DNA-sekvenseringstekniken."

Teamet använde MinION-enheten för att sekvensera DNA från hela grupper av mikroorganismer som hittats i vattenprover från floden Cam. Men innan de kunde använda sekvensdata, de behövde optimera sina experimentella metoder och analysmjukvara. "Det var viktigt att redogöra för kvaliteten på denna nya typ av bakteriell DNA-sekvensinformation, " förklarar Holzer. "Vi testade många olika algoritmer för att bearbeta data för att hitta de mest exakta metoderna."

Forskarna använde sedan sina optimerade riktlinjer för att analysera data och framgångsrikt mäta proportionerna av hundratals olika bakteriearter som finns i vattnet. De tog prover från nio olika platser längs floden, ofta prover platserna vid tre olika tidpunkter så att de kunde jämföra proportionerna av arter på olika platser och årstider.

Teamet kunde också urskilja närbesläktade, skadliga mikrobiella arter från icke-skadliga. Genom att jämföra proverna från olika platser, de fann att det fanns fler potentiellt skadliga bakterier och de som är associerade med avloppsvatten nedströms de mest bebyggda, tätortsområden i floden. Kemiska uppföljningsanalyser av vattenproverna från samma tätorter visade en matchande trend med ökande avloppsvattenföroreningar i dessa områden.

"Vårt arbete visar hur MinION och den tillhörande DNA-sekvenseringsteknologin kan användas för effektiv övervakning av sötvattenhälsa, säger Lara Urban, co-lead utredare av arbetet och nu Alexander von Humboldt Research Fellow vid University of Otago, Nya Zeeland. "Detta utökar teknikens befintliga applikationer som inkluderar noggrann spårning av virusöverföringar mellan patienter under den senaste tidens ebola, Zika- och SARS-CoV-19-virusutbrott."

"Vi hoppas att våra resultat kommer att uppmuntra andra oberoende forskare och kollektiv att engagera sig i förenklad sötvattenhantering och tester av biologisk mångfald runt om i världen, avslutar seniorförfattaren Maximilian Stammnitz, en Ph.D. student vid institutionen för veterinärmedicin, Universitetet i Cambridge.