Para ilmuwan telah mengembangkan metode terobosan untuk menghubungkan genetika dengan aktivitas mikroba anaerobik, sehingga mengungkap wawasan penting tentang komunitas mikroba jauh di bawah permukaan bumi. Pendekatan ini, yang menunjukkan bakteri dominan di akuifer Death Valley, membuka jalan baru untuk memahami peran mikroba dalam proses global.
Sebuah tim ilmuwan yang dipimpin oleh para peneliti di Bigelow Laboratory for Ocean Sciences telah mengembangkan metode inovatif untuk menghubungkan genetika dan fungsi masing-masing mikroba yang hidup tanpa oksigen jauh di bawah permukaan bumi.
Mengukur kedua atribut ini – dan, yang lebih penting, menghubungkan keduanya – telah lama menjadi tantangan dalam mikrobiologi namun sangat penting untuk memahami peran komunitas mikroba dalam proses global seperti siklus karbon.
Pendekatan baru, yang dikembangkan di Pusat Genomik Sel Tunggal Laboratorium Bigelow, memungkinkan para peneliti untuk menemukan pendekatan tersebut jenis Bakteri pemakan sulfat bukan hanya merupakan organisme yang paling melimpah namun juga organisme paling aktif di akuifer air tanah di bawah Death Valley, hampir setengah mil di bawah permukaan. Temuannya, dipublikasikan di Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasionaltunjukkan bagaimana metode ini dapat menjadi alat yang ampuh untuk mengukur seberapa aktif berbagai organisme di lingkungan ekstrem ini.
Wawasan tentang Dinamika Komunitas Mikroba
“Sebelumnya, kita harus berasumsi bahwa semua sel beroperasi pada kecepatan yang sama, namun sekarang kita dapat melihat bahwa ada berbagai tingkat aktivitas antara masing-masing anggota komunitas mikroba,” kata Ilmuwan Riset dan penulis utama makalah Melody. Lindsay. “Hal ini membantu kita memahami kemampuan komunitas mikroba dan bagaimana hal tersebut dapat mempengaruhi siklus biogeokimia global.”
Tim Desert Research Institute mengekstraksi sampel dari lubang bor di Death Valley. Kredit: Duane Moser, Institut Penelitian Gurun
Penelitian baru-baru ini adalah bagian dari proyek yang lebih besar yang menghubungkan kode genetik mikroba – cetak biru kemampuan mereka – dengan apa yang sebenarnya mereka lakukan pada saat tertentu.
Kemajuan Metodologis
Didanai oleh program EPSCoR NSF, proyek “Genomes to Phenomes” adalah perusahaan patungan antara Bigelow Laboratory, Desert Research Institute, dan University of New Hampshire. Ini memanfaatkan kemajuan terkini dalam pengurutan genetik sel tunggal dengan pendekatan kreatif yang menerapkan flow cytometry untuk memperkirakan laju proses, seperti respirasi, yang terjadi di dalam sel tersebut.
Flow cytometry, sebuah metode untuk menganalisis mikroba lingkungan individu yang diadaptasi di Laboratorium Bigelow dari ilmu biomedis, memungkinkan para peneliti dengan cepat memilah mikroba hidup dalam sampel air akuifer. Mikroba tersebut diwarnai dengan senyawa yang dirancang khusus yang menyala di bawah laser aliran sitometri ketika reaksi kimia tertentu terjadi di dalam sel. Hubungan antara seberapa banyak sel berfluoresensi di bawah laser dan laju reaksi tersebut dikerjakan secara eksperimental dengan kultur sel yang dikembangkan di laboratorium oleh mahasiswa magang di Laboratorium Bigelow dan kemudian diterapkan pada sampel Death Valley.
Setelah sel-sel aktif diukur dan diisolasi, tim mengurutkan genom masing-masing. Para peneliti juga menggunakan meta-transkriptomik, sebuah metode untuk menentukan gen mana yang diekspresikan secara aktif, dan pelacak radioisotop, sebuah metode yang lebih tradisional untuk mengukur aktivitas dalam komunitas mikroba. Hal ini dilakukan untuk “memeriksa kembali” hasil penelitian mereka dan untuk mendapatkan lebih banyak informasi tentang hubungan antara kemampuan genetik mikroba ini dan apa yang sebenarnya mereka lakukan.
Pusat Genomik Sel Tunggal adalah satu-satunya fasilitas analisis di dunia yang menawarkan teknik baru ini kepada para peneliti.
“Penelitian ini merupakan kesempatan yang menarik bagi tim peneliti kami dan SCGC untuk membantu meningkatkan pemahaman kita tentang ekosistem mikroba yang sangat besar dan penuh teka-teki di bawah tanah,” kata Ilmuwan Riset Senior Laboratorium Bigelow Ramunas Stepanauskas, direktur SCGC dan peneliti utama proyek tersebut.
Studi baru ini didasarkan pada demonstrasi pertama pendekatan ini untuk mengukur aktivitas sel individu. Pada akhir tahun 2022, tim tersebut menerbitkan temuan tentang mikroba di air laut, yang menunjukkan bahwa sebagian kecil mikroorganisme bertanggung jawab mengonsumsi sebagian besar oksigen di laut. Melalui makalah baru ini, tim memperluas metode tersebut untuk menunjukkan bahwa metode tersebut dapat digunakan di lingkungan dengan biomassa rendah dengan mikroba yang tidak bergantung pada oksigen. Dalam sampel yang diambil dari akuifer bawah permukaan di California, misalnya, para ilmuwan memperkirakan terdapat ratusan sel per mililiter air, dibandingkan dengan jutaan sel dalam satu mililiter air permukaan.
“Kami memulai dengan organisme yang mampu bernapas dengan oksigen di laut karena mereka lebih aktif, lebih mudah disortir, dan lebih mudah tumbuh di laboratorium,” kata Lindsay. “Tetapi respirasi aerobik hanyalah salah satu proses yang mungkin dilakukan dalam mikrobiologi, jadi kami ingin mengembangkan lebih dari itu.”
Memperluas Ruang Lingkup Penelitian Mikroba
Hasilnya menegaskan bahwa bakteri tersebut calon Desulforudis audaxviator bukan hanya mikroba yang paling melimpah di lingkungan ini, tetapi juga yang paling aktif, mereduksi sulfat untuk menghasilkan energi. Tingkat aktivitas keseluruhan yang diukur tim tergolong rendah dibandingkan dengan sampel air laut dari penelitian sebelumnya, namun terdapat perbedaan besar antara seberapa aktif masing-masing mikroba.
Tim peneliti kini berupaya menerapkan metode mereka untuk mengukur reaksi anaerobik lainnya, seperti reduksi nitrat, dan pada lingkungan baru, termasuk sedimen di sepanjang pantai Maine. Sebuah proyek terkait yang didanai oleh NASA juga memungkinkan Lindsay dan rekan-rekannya menguji metode ini di bawah permukaan laut.
“Saat ini, kita mendapatkan semua pengukuran titik ini di seluruh dunia, dan pengukuran ini membantu kita lebih memahami apa yang sedang dilakukan mikroba, namun kita perlu memperluasnya,” kata Lindsay. “Jadi, kami sedang memikirkan bagaimana menerapkan metode ini di tempat-tempat baru, bahkan mungkin di planet lain, dengan cara yang lebih luas.”
Referensi: “Laju respirasi sel tunggal yang diselesaikan oleh spesies mengungkap dominasi reduksi sulfat di ekosistem bawah permukaan benua yang dalam” oleh Melody R. Lindsay, Timothy D’Angelo, Jacob H. Munson-McGee, Alireza Saidi-Mehrabad, Molly Devlin, Julia McGonigle, Elizabeth Goodell, Melissa Herring, Laura C. Lubelczyk, Corianna Mascena, Julia M. Brown, Greg Gavelis, Jiarui Liu, DJ Yousavich, Scott D. Hamilton-Brehm, Brian P. Hedlund, Susan Lang, Tina Treude, Nicole J. Poulton, Ramunas Stepanauskas, Duane P. Moser, David Emerson dan Beth N. Orcutt, 4 April 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2309636121
