Belső munkavégzés: A kutatási részbázis kilátásba helyezi a tengeri mikrobaközösségek 3D-s térképét

A tengeri mikrobák alkotják az óceáni táplálékhálók alapját; ezek azok a munkalovak, amelyek a szenet, a nitrogént és más nélkülözhetetlen tápanyagokat biológiailag elérhető formákká alakítják az óceánok minden más életéhez (1, 2). De ezeknek a baktériumoknak, archeáknak, vírusoknak, protisztáknak és gombáknak csak körülbelül 10% -a tenyészthető a laboratóriumban - a túlnyomó többségből közvetlenül az óceánból kell mintát venni (3). Mivel a mintavétel drága és időigényes, a kutatás az óceán mikrobáinak többségére korlátozódik. Ennek eredményeként a mikrobavezérelt biogeokémiai folyamatok vízoszlop-helyeit nem sikerült feltérképezni alaposan.

workings

A Clio autonóm vízalatti jármű, vagyis AUV, már az óceán mikrobiális és kémiai összetételének titkait tárja fel. Az AUV szokatlan alakja egyszerűsödik a vízoszlopon keresztül történő függőleges mozgáshoz. Kép hitel: Mak Saito (Woods Hole Oceanográfiai Intézet, Woods Hole, MA).

Eddig a kutatók rendelkezésére álló eszközök elmaradtak. A kutatók mikrobafehérjéket, DNS-t és RNS-t, valamint cukrokat, vitaminokat és más kisméretű szerves molekulákat szeretnének elemezni. Mivel a mikrobiális közösségek finom térbeli léptékben változnak, és méterenként változhatnak az egész vízoszlopban, a kutatóknak képesnek kell lenniük arra, hogy pontos mélységből mintát vegyenek a tengervízből.

A Clio nevű autonóm tengeralattjáró lehet a válasz. Mak Saito biogeokémikus a Woods Hole Oceanográfiai Intézetben Woods Hole-ban (MA) és munkatársai 2014-től kifejlesztették a 6 láb magas, élénk sárga, hűtőszekrény alakú tengeralattjárót. Pilóta nélküli és kötés nélküli, autonóm vízalatti jármű vagy AUV az elsők között, amelyeket kifejezetten mikrobák mintavételére terveztek a tengeri biogeokémia tanulmányozásához. Saito reméli, hogy az elkövetkező évek rengeteg adatot tárnak fel, amelyek lehetővé teszik a kutatók számára, hogy nagy felbontásban tárják fel az óceán változó mikrobiális és kémiai összetételét.

A Clio a mikrobiológiai, biológiai és kémiai okeanográfia tanulmányozását tervező BioGeoSCAPES szerves eszközévé válhat, ideértve a tengeri mikrobaközösségek és az óceán kémiai kerékpározásának háromdimenziós térképét a következő évtizedben. Egy ilyen térkép megszerzésének fontos következményei lehetnek - a hatékony üvegházhatású gázok felszabadulását elősegítő metabolikus útvonalak felderítésétől kezdve a tengervíz oxigénmentesítésének csökkentéséig, az orvostudomány vagy a szennyezés orvoslásának új eljárásainak és vegyületeinek feltárásáig.

Minta nagysága

Clio már dolgozik a minták gyűjtésén. 2018 októberében Saito Bermuda partjaitól 60 mérföldre egy kutató körutat vezetett. Az expedíció Clio-mintáinak publikálatlan előzetes elemzése azt mutatja, hogy a cianobaktériumok fehérje-expressziója a mélység függvényében változik, és különböző kémiai folyamatokra utal a vízoszlop egészében - mondja Saito. Legfrissebb megállapításai nem elsőként vizsgálják a fehérje expressziót a tengeri mikrobákban. De ezeknek a mikrobáknak a gyűjtésére szolgáló korábbi módszerek sokkal időigényesebbek és munkaigényesebbek voltak, a kábelen a hajó oldalán leengedett szivattyúkra támaszkodva. Az új tengeralattjárónak, körutazásonként sokkal több nagy mennyiségű mintával, segítenie kell a kutatókat abban, hogy gyorsabban lássák az elterjedt mintákat.

Clio előtt néhány más búvárrobot hordozott hasonló tudományos műszereket, és más óceánjáró robotok is mintáztak tengeri mikrobákat. Például egy 2019-es tanulmány két nagy hatótávolságú AUV-t és egy felszíni robotot használt fel a Hawaii közelében található nyílt óceán fitoplankton közösségeinek feltérképezésére és mintavételére (4). Ezek és más, a kaliforniai Monterey Bay Aquarium Research Institute-ban épített AUV-k cipődoboz méretű laboratóriumokat tartalmaznak, amelyek mintákat, szűrőket, konzerválókat és egyes esetekben elemezhetik a tengervízből származó genetikai anyagokat, mindezt a tengeralattjáró búvárkodásakor. A Monterey AUV-k nem csak egy dolognak vannak elkötelezve. A szonár vagy a videó szenzorok felszerelhetik a vadon élő állatok kutatását is, a járművek pedig különböző kutatási célokat szolgálhatnak.

A Clio-t arra a célra tervezték, hogy biogeokémiai elemzések céljából nagy mennyiségű tengervizet vegyen fel függőlegesen a vízoszlopon, magyarázza John „Chip” Breier projektvezető, geokémikus és mérnök a Texasi Egyetem Rio Grande Valley-i campusán, Port Isabel-ben, és adjunktus a Woods Hole Oceanographic-nál. Bár minden egyes Clio jármű gyártása több százezer dollárba kerül, az alvállalkozónak megtakarított idő alatt gyorsan meg kell térülnie - teszi hozzá Saito. Ezért elő kell segítenie a mikrobaközösségek és viselkedésük alaposabb feltérképezését az egész vízoszlopon.

A biogeokémiai kerékpározás tankönyvdiagramai gyakran nyilakkal szemléltetik az egyik vegyület szárazföldről tengerre való átmenetét a légkörbe. "De amit nem veszel észre, az az, hogy ezek a nyilak tulajdonképpen a mikrobák anyagcseréjét jelentik" - mondja Alyson Santoro mikrobiális okeanográfus a Kaliforniai Egyetemen, Santa Barbarában. A mikrobák a kulisszák mögött vannak, és ezeket a bolygóciklusokat hajtják. A tengeri szén-körforgás például magában foglalja a fitoplankton nevű fotoszintetikus organizmusokat, amelyek az óceán felszínének közelében sodródnak, ahol a vizet és a fényt egyesítve szöveteik szerves szénnel épülnek fel. Azok a ragadozók, mint a heterotróf protisták, megeszik a fitoplanktont, a szenet továbbjutva az élelmiszerláncon, és hulladékot engednek a vízbe, beleértve a nitrogént, a foszfort, a vasat, a rézet és a cinket. Ily módon a becslések szerint 3,1 × 10 28 egyedi baktériumsejt és 1,3 × 10 28 egyedi archaea sodródik a tengereken, és mindegyik megváltoztatja közvetlen környezetük kémiai tulajdonságait, és együttesen megváltoztatja az egész óceánok kémiait (5).

A kutatók tudni akarják, hogy az egyes mikrobák milyen kémiai ciklusokat befolyásolnak, különösen a kevésbé vizsgált mély óceánban, és milyen térbeli skálán. Az elkövetkező évtizedben a potenciális BioGeoSCAPES adatok ki fogják állítani az óceánok jövőbeni változásának nyomon követését. *

Gondos gyűjtemény

Az egyik módja annak, hogy megértsük, mely kémiai ciklusokra hatnak a mikrobák, megtalálni azokat a fehérjéket, amelyeket a különböző mikrobiális populációk expresszálnak; gyakran enzimek, amelyek átalakítják a tápanyagokat szerves és szervetlen formák között. A tengeri mikrobák fehérje-elemzés céljából történő gyűjtése azonban nehéz lehet. A DNS-től és az RNS-től eltérően, amelyeket a kutatók néhány liter tengervízből képesek felerősíteni, a fehérjéket ehelyett közvetlenül a sejtekből kell izolálni. Az egyes tengeri mikrobasejtek annyira aprók és hígak, hogy elegendő mennyiségű fehérjeelemzéshez több tíz-száz liter tengervizet kell szűrni.

Hagyományosan a biogeokémikusok nagy térfogatú tengervízmintákat gyűjtöttek össze úgy, hogy egy sor nagy vízszivattyút összekötöttek, és egy mérföld hosszú, nehéz kábelen leengedték őket a hajó oldalán, magyarázza Saito. A szivattyúk mélységig süllyednek, és néhány órán át szűrik a tengervizet egy polimer háló fölött, a mikrobákat pergetve a háló rostjaiban. Saito és Santoro a Nature Geoscience egyik nemrégiben készült tanulmányának társszerzésével ezt a hagyományos megközelítést alkalmazta a mikrobák szűrésére ezer liter tengervízből a Csendes-óceán középső részén végzett két expedíción 2011-ben és 2016-ban (6).

A hajóutak mikrobákból vettek mintákat a mezopelágikus zónában, 200-1000 méter mélyen, alacsony oxigénkoncentrációjú nyílt óceánszakaszokból. Ezek az oxigénminimum zónák köztudottan tartalmaznak baktériumokat és archeákat, amelyek az oxigén mellett vegyi anyagokat is lélegeznek, és nitrogén tartalmú melléktermékeket hoznak létre. A tengeri nitrogén körforgásában számos reakció fordul elő az oxigén minimális zónáiban. Ezért Saito és munkatársai elérték, hogy értékeljék a nitrogénreakciókat katalizáló mikrobiális fehérjék relatív bőségét ezeken a helyeken.

A kutatók azt találták, hogy a nitrit-oxidoreduktáz enzim, amely az állati hulladékból származó nitrogént kevésbé toxikus szervetlen formává alakítja, meglepően bőséges a Csendes-óceán középső részén található oxigén-minimum zónákban. A nitrit-oxidoreduktáz szintén sok vasat használ, mondja Santoro. A vasat általában a felszíni vizekben vizsgálják, ahol a napfény hajtja a fotoszintézist, amely folyamat korlátozható a vasra. Ezek a megállapítások azt sugallják, hogy a mélyebb területek indokolttá tehetik a tengeri vasciklus alaposabb tanulmányozását, talán feltárva a nitrogén- és a vasciklus összefonódásának lehetőségeit.

Búvárkodás

A Nature Geoscience tanulmány két körutazás adatait ötvözte, egy 2011-ben és egy 2016-ban. De ha a Clio elérhető lett volna, Saito több mintát gyűjthetett volna, hatékonyabban és mélyebbre süllyedhetett volna kevesebb hajóidővel - mondja.

Az új AUV a tengervíz szűrőkön történő szivattyúzásával működik, magyarázza Michael Jakuba vezető mérnök, a Woods Hole Oceanographic munkatársa. A Clio napsütéses sárga műanyag kajakbőrében belül egy alumínium csontváz tart nagy térfogatú vízszivattyúkat, az úgynevezett SUPR (Suspended Particulate Rosette) mintavevőket. A mintavevők biológiai és kémiai mintákat különböző mélységekből szűrnek az egész vízoszlopon.

Miután Clio befejezte a merülést, felszínre került, és visszahúzták a hajóra, a kutatók a SUPR mintavevőket egy fedélzeti tiszta helyiségbe viszik, amelyet Saito szeretettel „buboréknak” nevez. Laboratóriumi kabátokban és kesztyűkben az óceánográfusok mindegyik szűrőt apró darabokra szeletelik, majd a darabokat több száz krioviális csőben lefagyasztják a jövőbeni proteomika, genomika, metallomika és egyéb elemzések céljából. A Woods Hole-i laboratóriumában Saito izolálja a szűrt mikrobiális sejtek fehérjéit. Kémiai oldatokkal emészti a fehérje keverékét kisebb peptidekké, végül a peptideket tömegspektrométerbe injektálja. A számítási elemzés segít azonosítani az eredeti fehérjét.

A világjárvány előtt Clio jövőre a trópusi Csendes-óceán felé vette az irányt, hogy a 300–1000 méter mély alacsony oxigéntartalmú zónákból mikrobákat vegyen. Ezt az expedíciót valószínűleg 2022-re halasztják. "Tudjuk, hogy ezek az oxigén-minimum zónák az óceán egész területén léteznek bizonyos régiókban, de keveset tudunk róluk" - mondja Maria T. "Maite" Maldonado biológiai okeanográfus a British Columbia Egyetemen Vancouver, Kanada. A potenciális jövőbeli BioGeoSCAPES program 2018. évi tervező műhelyének egyik meghívója volt. Reméli, hogy Clio példátlan ablakot kínál e zónák mikrobaközösségeiről és azok hatásáról a tápanyagok körforgására a vízoszlopon keresztül. Korábbi kutatások kimutatták, hogy az oxigén-minimum zónák felszabadítják az erős üvegházhatású gázok dinitrogén-oxidját (7). És a tanulmányok azt mutatják, hogy az elmúlt évtizedekben az oxigén-minimum zónák kiterjedtek az óceán felmelegedése következtében (8), a vízoszlop szélesebb rétegét elfoglalva, és feltételezések szerint kevésbé produktív halászathoz vezetnek az Egyesült Államokban. ., Chile és India, többek között (9).

A Clio-nak vannak korlátai. Akár 6000 méter mélyre is merülhet, amelyen túl a háza nyomás alatt megrekedne - mondja Jakuba. A jövőben azt reméli, hogy frissíti a Clio tervét, hogy tovább merülhessen, mély óceáni árkokba, ahol új óceáni biogeoszkópákat fedezhet fel. Nincs összehasonlítható eszköz az árkok biológiai mintáinak gyűjtésére, mondja Maldonado. "Ki tudja - teszi hozzá a nő -, talán a Clio-val olyan új környezeteket fedezünk fel, amelyekről jelenleg még nem tudunk."

Lábjegyzetek

↵ * M. T. Maldonado, A. Marchetti, M. Saito, A. Tagliabue, „Biogeoscapes: Ocean metabolism and tápanyagciklusok egy változó bolygón” in Summary Vision from the Biogeoscapes Small Working Group (2018).