Los investigadores demostraron el valor de llevar a cabo genómica de células individuales a gran escala mediante la recolección de casi 500 células individuales de una sola muestra de sedimentos de aguas termales de baja diversidad. Su trabajo demostró que la genómica de una sola célula puede agregar un valor significativo a los otros enfoques de secuenciación independientes del cultivo comúnmente utilizados, incluida la secuenciación de amplicón y metagenómica. Por ejemplo, demostraron que la composición de la comunidad era similar en todos los enfoques de secuenciación, que los conjuntos específicos de especies de células individuales albergaban elementos genéticos móviles que no se encontraban en los genomas ensamblados en metagenomas (MAG) emparejados, y que las poblaciones dominantes variaban con respecto a la cantidad de recombinación dentro de las especies, lo que indica una variación en el flujo de genes entre los miembros de la comunidad analizados.

Aunque los microbios ayudan a regular los ciclos de nutrientes del planeta y son potencialmente útiles en campos que van desde la agricultura hasta la biotecnología y la medicina, la gran mayoría en, sobre y alrededor del planeta sigue siendo desconocida. En los últimos años, los avances en las tecnologías de secuenciación y las herramientas bioinformáticas han ayudado a decodificar los genomas de decenas de miles de microbios no cultivados y previamente desconocidos a través de la metagenómica. Estas técnicas aprovechan las herramientas bioinformáticas para extraer fragmentos de genomas microbianos directamente de los datos de secuencias ambientales, juntando cada genoma a partir de grandes mezclas de secuencias genómicas. Un enfoque complementario a esto es la genómica de células individuales, donde las células de las muestras ambientales se separan primero y luego sus genomas se amplifican y secuencian individualmente, lo que ofrece a los científicos la oportunidad de aplicar enfoques de genómica de poblaciones a células estrechamente relacionadas extraídas directamente del medio ambiente.

Dewar Creek es una fuente termal remota, en lo profundo del interior de Columbia Británica (Purcell Wilderness Conservancy Provincial Park de Columbia Británica, BC Parks). En estos manantiales, las temperaturas pueden alcanzar los 80 °C (~ 190 °F), pero los microbios prosperan aquí. Las comunidades en este ambiente extremo a menudo son menos diversas que aquellas dentro de ecosistemas más moderados. Hace algunos años, se identificó un linaje bacteriano candidato a partir de conjuntos de datos de secuencias de metagenomas y microbianos generados a partir de un puñado de aguas termales, incluido Dewar Creek.

Continuando con las exploraciones en este entorno único, los investigadores de la Universidad de Calgary y el Instituto Conjunto del Genoma (JGI) del Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), emplearon secuenciación celular para evaluar la diversidad dentro y entre las poblaciones microbianas. El trabajo apareció en The ISME Journal .

Los miembros del laboratorio de Dunfield recolectaron muestras de esta fuente termal. Luego, se usó una sola muestra para producir un conjunto de datos de amplicón emparejado (también conocido como secuenciación del gen 16S rRNA), un metagenoma de escopeta y un conjunto de datos de una sola célula de casi 500 genomas de una sola célula. La porción de celda única de este trabajo fue realizada por Danielle Goudeau y Rex Malmstrom del grupo de Aplicaciones a Microescala de JGI. Las células se clasificaron al azar, se amplificó el genoma completo, luego se secuenciaron y ensamblaron. Robert Bowers, científico de JGI dentro del Programa Microbiano, dirigió los análisis genómicos para comparar los conjuntos de datos resultantes, enfatizando la utilidad de la secuenciación de células individuales para evaluar la variación dentro de las poblaciones microbianas naturales.

Cada uno de los tres enfoques de secuenciación produjo un perfil comunitario generalmente similar. Pero cada enfoque demuestra todo su valor a diferentes escalas. La secuenciación de amplicón se usa comúnmente para evaluar las fluctuaciones en la diversidad microbiana en miles de muestras. Actualmente, la metagenómica se aplica en decenas a cientos de muestras, mientras que los enfoques de células individuales se han utilizado normalmente como complemento para aislar la secuenciación, es decir, cuando las células objetivo no se pueden cultivar en el laboratorio.

Lo que hace que este estudio en particular sea único es la aplicación de la genómica de una sola célula a toda una comunidad. Dada la baja diversidad microbiana de la fuente termal muestreada, un conjunto de datos de casi 500 celdas individuales cubrió la diversidad de la mayoría de los taxones dentro de la muestra. Además, los tres linajes más abundantes estaban representados por suficientes genomas de células individuales para facilitar un análisis de la heterogeneidad dentro y entre poblaciones comparando los ATGC de los genomas de cada célula individual. El equipo demostró que, si bien la amplia diversidad a nivel de nucleótidos era similar en los linajes dominantes, cada grupo microbiano mostraba perfiles de recombinación muy diferentes. Esto es similar a la estructura de las redes de medios sociales donde un grupo de medios sociales puede tener un conjunto relativamente limitado de amigos, mientras que otro puede exhibir pocas limitaciones a las interacciones y nuevas conexiones, compartiendo así más ideas, similar al intercambio de genes dentro de un grupo altamente población microbiana recombinante. Este trabajo muestra la utilidad de la secuenciación de células individuales, ya que monitorear la heterogeneidad a nivel de población de microbios no cultivados brindará a los investigadores la capacidad de capturar la variación a escala fina dentro de las poblaciones que es un precursor de la diversificación a nivel de cepa y la especiación microbiana.