Onderzoekers toonden de waarde aan van het uitvoeren van grootschalige eencellige genomica door bijna 500 afzonderlijke cellen te verzamelen uit een enkel sedimentmonster met een lage diversiteit aan warmwaterbronnen. Hun werk toonde aan dat single cell genomics significante waarde kan toevoegen aan de andere veelgebruikte cultuur-onafhankelijke sequencing benaderingen, waaronder amplicon en metagenomic sequencing. Ze toonden bijvoorbeeld aan dat de samenstelling van de gemeenschap vergelijkbaar was over sequencing-benaderingen, dat soortspecifieke sets van enkele cellen mobiele genetische elementen herbergden die werden gemist in gepaarde metagenoom geassembleerde genomen (MAG's), en dat dominante populaties varieerden met betrekking tot de hoeveelheid van recombinatie binnen soorten, wat wijst op variatie in genenstroom tussen de geanalyseerde gemeenschapsleden.

Hoewel microben helpen bij het reguleren van de nutriëntenkringlopen van de planeet en mogelijk nuttig zijn in gebieden variërend van landbouw tot biotechnologie en geneeskunde, blijft de overgrote meerderheid op, op en rond de planeet onbekend. In de afgelopen jaren hebben vorderingen in sequencing-technologieën en bio-informatische hulpmiddelen geholpen bij het decoderen van de genomen van tienduizenden voorheen onbekende en niet-gecultiveerde microben door middel van metagenomica. Dergelijke technieken maken gebruik van bioinformatica-tools voor het direct extraheren van fragmenten van microbiële genomen uit omgevingssequentiegegevens, door elk genoom samen te voegen uit grote mengsels van genomische sequenties. Een aanvullende benadering hiervoor is single cell genomics, waarbij cellen uit omgevingsmonsters eerst worden gescheiden en hun genomen vervolgens individueel worden geamplificeerd en gesequenced, wat wetenschappers de mogelijkheid biedt om populatiegenomics-benaderingen toe te passen op nauw verwante cellen die rechtstreeks uit de omgeving zijn geplukt.

Dewar Creek is een afgelegen warmwaterbron, diep in het achterland van British Columbia (Purcell Wilderness Conservancy Provincial Park of British Columbia, BC Parks). In deze bronnen kunnen de temperaturen oplopen tot 80C (~ 190F), maar microben gedijen hier goed. De gemeenschappen in deze extreme omgeving zijn vaak minder divers dan die binnen meer gematigde ecosystemen. Een paar jaar geleden werd een kandidaat-bacteriële afstamming geïdentificeerd uit microbiële en metagenoomsequentiegegevenssets gegenereerd uit een handvol warmwaterbronnen, waaronder Dewar Creek.

Voortzetting van hun verkenningen in deze unieke omgeving, onderzoekers van de Universiteit van Calgary en het Amerikaanse Department of Energy (DOE) Joint Genome Institute (JGI), een DOE Office of Science User Facility in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), gebruikten eenpersoons- celsequencing om de diversiteit binnen en tussen microbiële populaties te beoordelen. Het werk verscheen in The ISME Journal .

Leden van het Dunfield-lab verzamelden monsters van deze hete bron. Een enkel monster werd vervolgens gebruikt om een ​​gepaarde amplicon-dataset (ook bekend als 16S rRNA-gensequencing), een shotgun-metagenoom en een eencellige dataset van bijna 500 eencellige genomen te produceren. Het eencellige gedeelte van dit werk werd uitgevoerd door Danielle Goudeau en Rex Malmstrom van de JGI's Microscale Applications-groep. Cellen werden willekeurig gesorteerd, het hele genoom geamplificeerd, vervolgens gesequenced en geassembleerd. Robert Bowers, een JGI-wetenschapper binnen het Microbial Program, leidde de genomische analyses om de resulterende datasets te vergelijken, waarbij hij de nadruk legde op het nut van single cell sequencing om de variatie binnen natuurlijke microbiële populaties te beoordelen.

Elk van de drie sequentiebenaderingen produceerde een over het algemeen vergelijkbaar gemeenschapsprofiel. Maar elke benadering toont zijn volledige waarde op verschillende schalen. Amplicon-sequencing wordt vaak gebruikt om fluctuaties in microbiële diversiteit over duizenden monsters te beoordelen. Metagenomics wordt momenteel toegepast in tientallen tot honderden monsters, terwijl benaderingen met één cel doorgaans zijn gebruikt als aanvulling op het isoleren van sequencing, d.w.z. wanneer de beoogde cellen niet in het laboratorium kunnen worden gekweekt.

Wat deze specifieke studie uniek maakt, is de toepassing van single cell genomics op een hele gemeenschap. Gezien de lage microbiële diversiteit van de bemonsterde warmwaterbron, dekte een dataset van bijna 500 afzonderlijke cellen de diversiteit van de meeste taxa in het monster. Bovendien werden de drie meest voorkomende geslachten vertegenwoordigd door voldoende eencellige genomen om een ​​analyse van binnen en tussen populatieheterogeniteit te vergemakkelijken door de ATGC's van de genomen van elke afzonderlijke cel te vergelijken. Het team toonde aan dat hoewel de brede diversiteit op nucleotideniveau vergelijkbaar was in de dominante geslachten, elke microbiële groep enorm verschillende recombinatieprofielen vertoonde. Dit is verwant aan de structuur van sociale-medianetwerken, waarbij de ene sociale-mediagroep een relatief beperkte groep vrienden kan hebben, terwijl een andere weinig beperkingen heeft op het gebied van interacties en nieuwe connecties, waardoor meer ideeën worden gedeeld, vergelijkbaar met het delen van genen binnen een zeer microbiële populatie te recombineren. Dit werk demonstreert het nut van single cell sequencing, aangezien het monitoren van heterogeniteit op populatieniveau van niet-gecultiveerde microben onderzoekers de mogelijkheid zal bieden om de fijnschalige variatie binnen populaties vast te leggen die een voorloper is van diversificatie op stamniveau en microbiële soortvorming.