Океаны всё еще остаются самой неисследованной частью планеты Земля. И если разнообразие крупных организмов Северного Ледовитого океана во многом можно считать уже установленным, работ, направленных на исследование разнообразия «арктических» микроорганизмов, практически нет. Одна из проблем, помимо труднодоступности, — это получение микробной ДНК высокого качества: при работе с природными образцами часто происходит деградация ДНК, ее выделяется очень мало, а секвенированию мешают ингибиторы.
Методов выделения микробной ДНК на сегодня существует очень много, однако они не приспособлены под работу с морскими образцами. Отсутствие понятной, отработанной методики для этой задачи замедляет исследование морских микроорганизмов — при этом именно с таких исследований может начаться поиск новых генов, отвечающих за синтез антибиотиков или ферментов генетических редакторов. Коллектив ученых из Сколтеха, МГУ имени М. В. Ломоносова и других ведущих научных организаций во главе с руководителем лаборатории анализа метагеномов Артёмом Исаевым выявил наиболее эффективные наборы для выделения ДНК из разных типов морских образцов.
Акватории северных морей России долгое время оставались неисследованными. «Это труднодоступная зона, но очень разнообразная, поэтому мы сфокусировались именно на Тихом и Северном Ледовитом океанах. Совместно с Центром морских исследований МГУ мы организовали экспедиции и собрали три типа образцов: морские воду и грунт, а также образцы беспозвоночных», — рассказала первый автор работы Алина Демкина, старший лаборант в Лаборатории анализа метагеномов Сколтеха.
По словам ученых, несмотря на то что метагеномные исследования активно развиваются, до сих пор не выработано единых критериев и стандартов по работе с морскими образцами. «У природных образцов есть свои особенности. Нашей целью было выделить из них ДНК, отсеквенировать ее и проверить, какие бактерии там живут. Мы столкнулись с тем, что отработанных методик для выделения ДНК хорошего качества из таких образцов нет. Создавать какой-то протокол с нуля — задача очень долгая, дорогая и трудоемкая, поэтому мы сфокусировались на готовых коммерческих наборах и проверили, какой из них может давать результат наилучшего качества для разных типов морских образцов», — поделилась Дарья Слонова, соавтор работы, младший научный сотрудник в Лаборатории анализа метагеномов Сколтеха.
Исследователи провели испытания восьми наборов для выделения ДНК. Для каждой комбинации набора и образца измеряли количество очищенной ДНК, степень ее фрагментации, наличие загрязняющих веществ, ингибирующих ПЦР, примесь ДНК эукариот, альфа-разнообразие и воспроизводимость результирующего состава сообщества на основе секвенирования ампликонов 16S рРНК. Также ученые определили так называемые китомы (от англ. kit — набор) — состав микробных таксонов, которые могут присутствовать в самих реагентах, используемых для выделения ДНК. Это особенно важно, так как воды северных морей достаточно бедны микробами, и поэтому даже незначительная примесь контаминирующей ДНК может отразиться на анализе.
«В статье мы даем рекомендации ученым, какие методы лучше всего подходят, чтобы правильно выделить ДНК из морских образцов», — продолжила Алина Демкина. «Исследователи смогут увидеть в статье, какие наборы подходят под каждый конкретный тип образца, в зависимости от целей их работы», — поддержала Дарья Слонова.
Результаты работы
опубликованы в журнале Scientific Reports. Исследование поддержано грантом Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 075-10-2021-114 «Атлас микробных сообществ Российской Федерации» и грантом Российского научного фонда № 22-14-00004 «Поиск и характеристика новых систем бактериального иммунитета и вирусных антирестрикционных белков».
Атлас микробных сообществ Российской Федерации — большой проект Лаборатории анализа метагеномов Сколтеха и МГУ имени М. В. Ломоносова. Его цель — исследование многообразия микроорганизмов на территории России. Уникальность проекта в том, что в нем задействованы не только ученые, а широкий круг людей — школьники, студенты, волонтеры. Исследователи организуют экспедиции и собирают пробы грунта и воды в труднодоступных местах, выделяют метагеномную ДНК (ДНК всех микроорганизмов в пробах) и ищут новые антибиотики, вычленяя из метагеномов специальные биосинтетические кластеры.
