Microbii marini constituie baza rețelelor alimentare oceanice; sunt caii de lucru care transformă carbonul, azotul și alți nutrienți esențiali în forme biodisponibile pentru toate celelalte vieți din oceane (1, 2). Dar numai aproximativ 10% din aceste bacterii, arhee, viruși, protiști și ciuperci pot fi cultivate în laborator - marea majoritate trebuie prelevate direct din ocean (3). Deoarece eșantionarea este costisitoare și consumă mult timp, cercetarea este limitată la majoritatea microbilor oceanici. Prin urmare, localizările coloanei de apă ale proceselor biogeochimice conduse de microbi nu au fost cartografiate în detaliu.

workings

Vehiculul subacvatic autonom Clio, sau AUV, dezvăluie deja secrete ale compoziției microbiene și chimice a oceanului. Forma neobișnuită a AUV este simplificată pentru mișcare verticală prin coloana de apă. Credit de imagine: Mak Saito (Instituția Oceanografică Woods Hole, Woods Hole, MA).

Până în prezent, instrumentele de care dispun cercetătorii nu au reușit. Cercetătorii ar dori să analizeze proteinele microbiene, ADN-ul și ARN-ul, precum și zaharurile, vitaminele și alte molecule organice mici. Și pentru că comunitățile microbiene variază la scări spațiale fine și se pot schimba rapid de la metru la metru de-a lungul coloanei de apă, cercetătorii trebuie să poată testa apa de mare de la adâncimi precise.

Un submarin autonom numit Clio ar putea fi răspunsul. Biogeochimistul Mak Saito de la Woods Hole Oceanographic Institution din Woods Hole, MA și colaboratorii săi au dezvoltat submarinul în formă de frigider, galben strălucitor, de 6 metri înălțime, începând cu 2014. Fără pilot și fără legătură, vehiculul subacvatic autonom sau AUV este printre primele concepute special pentru a preleva probe de microbi pentru studii de biogeochimie marină. Saito speră ca anii următori să dezvăluie o multitudine de date care să permită cercetătorilor să exploreze schimbarea compoziției microbiene și chimice a oceanului la rezoluție înaltă.

Clio ar putea deveni un instrument integral pentru BioGeoSCAPES, un program născut care planifică studierea oceanografiei microbiene, biologice și chimice, inclusiv realizarea unei hărți tridimensionale a comunităților microbiene marine și a ciclului chimic al oceanului în următorul deceniu. Achiziționarea unei astfel de hărți ar putea avea implicații importante - de la elucidarea locațiilor căilor metabolice care ajută la facilitarea eliberării de gaze cu efect de seră puternice, la reducerea oxigenării apei de mare, la dezvăluirea unor noi procese și compuși pentru medicamente sau remedierea poluării.

Marime de mostra

Deja, Clio lucrează la colectarea probelor. În octombrie 2018, Saito a condus submarinul într-o croazieră de cercetare la 60 de mile de coasta Bermudelor. Analiza preliminară nepublicată a probelor Clio din expediție relevă faptul că expresia proteinelor cianobacteriene variază în funcție de adâncime, sugerând diferite procese chimice în întreaga coloană de apă, spune Saito. Descoperirile sale recente nu sunt primele care examinează expresia proteinelor la microbii marini. Dar metodele anterioare de colectare a acestor microbi au fost mult mai mari în timp și muncă, bazându-se pe pompe coborâte peste partea unei nave pe un cablu. Noul submarin, cu mai multe eșantioane de volum mare pe croazieră, ar trebui să îi ajute pe cercetători să vadă mai repede tiparele răspândite.

Înainte de Clio, alți câțiva roboți de scufundări purtau instrumente științifice similare, iar alți roboți oceanici au probat și microbi marini. De exemplu, un studiu din 2019 a folosit două AUV-uri cu rază lungă de acțiune și un robot de suprafață pentru cartografierea și eșantionarea comunităților deschise de fitoplancton oceanic în apropierea Hawaii (4). Acestea și alte AUV construite la Institutul de Cercetare pentru Acvariul Monterey Bay din California conțin laboratoare de dimensiuni cutie de pantofi, care pot preleva, filtra, conserva și, în unele cazuri, pot analiza materialul genetic din apa de mare, în timp ce submarinul se scufundă. Monterey AUV-urile nu sunt dedicate exclusiv unui singur lucru. Senzorii sonar sau video pot, de asemenea, să echipeze submarinele pentru cercetarea faunei sălbatice, iar vehiculele pot schimba instrumente în scopuri diferite de cercetare.

Clio a fost conceput cu scopul singular de a preleva volume mari de apă de mare pe verticală prin coloana de apă pentru analize biogeochimice, explică liderul de proiect John „Chip” Breier, geochimist și inginer la campusul Universității din Texas Rio Grande Valley, din Port Isabel și adjunct la Woods Hole Oceanographic. Deși fiecare vehicul Clio costă câteva sute de mii de dolari pentru construcție, sub-ar trebui să plătească rapid pentru sine în timp economisit, adaugă Saito. Și, prin urmare, ar trebui să faciliteze o cartografiere mai detaliată a comunităților microbiene și a comportamentelor acestora, de-a lungul coloanei de apă.

Diagramele manuale ale ciclului biogeochimic folosesc adesea săgeți pentru a ilustra tranziția unui compus în altul de la uscat la mare în atmosferă. „Dar ceea ce nu vă dați seama este că fiecare dintre aceste săgeți este de fapt metabolismul microbilor”, spune oceanograful microbian Alyson Santoro de la Universitatea din California, Santa Barbara. Microbii sunt în culise, conducând aceste cicluri planetare majore. Ciclul carbonului marin, de exemplu, implică organisme fotosintetice numite fitoplancton care se deplasează în apropierea suprafeței oceanului, unde combină apă și lumină pentru a-și construi țesuturile cu carbon organic. Prădătorii precum protiștii heterotrofi mănâncă fitoplanctonul, trecând carbonul în lanțul trofic și eliberează deșeuri în apă, inclusiv azot, fosfor, fier, cupru și zinc. În acest fel, celulele bacteriene individuale estimate de 3,1 × 10 28 și 1,3 × 10 28 arheele individuale care derivă prin mări, fiecare schimbă chimia mediului înconjurător și schimbă în mod colectiv chimia oceanelor întregi (5).

Cercetătorii doresc să știe ce cicluri chimice influențează fiecare tip de microb, în ​​special în oceanul adânc mai puțin studiat și la ce scări spațiale. În următorul deceniu, potențialele date BioGeoSCAPES vor stabili o linie de bază pentru a monitoriza modul în care oceanele se pot schimba în viitor. *

Colecție atentă

O modalitate de a înțelege ce cicluri chimice influențează microbii este de a găsi proteinele pe care le exprimă diferite populații microbiene; sunt adesea enzime care convertesc substanțele nutritive între formele organice și cele anorganice. Cu toate acestea, colectarea microbilor marini pentru analiza proteinelor poate fi dificilă. Spre deosebire de ADN și ARN, pe care cercetătorii le pot amplifica din câțiva litri de apă de mare, proteinele trebuie în schimb izolate direct din celule. Celulele microbiene marine individuale sunt atât de mici și diluate încât colectarea suficientă a acestora pentru analiza proteinelor necesită filtrarea a zeci la sute de litri de apă de mare.

În mod tradițional, biogeochimienii au colectat probe de apă de mare volum mare prin legarea împreună a unei serii de pompe mari de apă și coborârea lor peste partea navei pe un cablu greu de o milă, explică Saito. Pompele cad la adâncime și filtrează apa de mare peste o plasă de polimer timp de câteva ore, prinzând microbi în fibrele ochiurilor. Saito și Santoro au coautorat un studiu recent în Nature Geoscience folosind această abordare tradițională pentru a filtra microbii de la mii de litri de apă de mare în două expediții în Pacificul Central în 2011 și 2016 (6).

Croazierele au prelevat probe de microbi din întinderi de ocean deschis cu concentrații scăzute de oxigen în zona mezopelagică, între 200 și 1.000 de metri adâncime. Se știe că aceste zone cu oxigen minim conțin bacterii și arhee care respiră substanțe chimice în afară de oxigen și produc subproduse azotate. Multe reacții implicate în ciclul azotului marin apar în zonele minime de oxigen. Prin urmare, Saito și colaboratorii și-au propus să evalueze abundența relativă a proteinelor microbiene cunoscute pentru a cataliza reacțiile de azot în aceste locuri.

Cercetătorii au descoperit că enzima nitrit oxidoreductază, care transformă azotul din deșeurile animale în forme anorganice mai puțin toxice, este surprinzător de abundentă în zonele cu oxigen minim din Pacificul Central. Nitritul oxidoreductază folosește, de asemenea, mult fier, spune Santoro. Fierul este de obicei studiat în apele de suprafață, unde lumina soarelui determină fotosinteza, un proces care poate fi limitat de fier. Aceste constatări sugerează că zonele mai adânci ar putea justifica un studiu mai aprofundat în ciclul fierului marin, dezvăluind poate modalități prin care ciclurile azotului și fierului sunt legate.

Scufundare în

Studiul Nature Geoscience a combinat date de la două croaziere, una în 2011 și una în 2016. Dar dacă Clio ar fi fost disponibil, Saito ar fi putut colecta mai multe eșantioane, mai eficient și ar fi adâncit mai adânc cu mai puțin timp de navă, spune el.

Noul AUV funcționează prin pomparea apei de mare peste filtre, explică inginerul principal Michael Jakuba de la Woods Hole Oceanographic. În interiorul pielii de caiac din plastic galben însorit a lui Clio, un schelet de aluminiu conține pompe de apă cu volum mare, numite eșantioane SUPR (Suspended Particulate Rosette). Probele filtrează probele biologice și chimice dintr-o gamă de adâncimi de-a lungul coloanei de apă.

Odată ce Clio termină o scufundare, iese la suprafață și este ridicat înapoi pe navă, cercetătorii duc probele SUPR într-o cameră curată de la bord, pe care Saito o numește cu afecțiune „bula”. În haine de laborator și mănuși, oceanografii tăie fiecare filtru în bucăți mici, apoi îngheață bucățile în sute de tuburi crioviale pentru proteomică, genomică, metalomică și alte analize viitoare, spune el. Înapoi în laboratorul său din Woods Hole, Saito izolează proteinele din celulele microbiene filtrate. El folosește soluții chimice pentru a digera amestecul de proteine ​​în peptide mai mici și, în cele din urmă, injectează peptidele într-un spectrometru de masă. Analiza computațională ajută la identificarea proteinei originale.

Înainte de pandemie, Clio se îndrepta spre Pacificul tropical anul viitor, pentru a testa microbi din zonele cu oxigen scăzut, adânci de 300 până la 1.000 de metri. Această expediție este acum posibil amânată până în 2022. „Știm că aceste zone cu oxigen minim există în întregul ocean în anumite regiuni, dar știm puțin despre ele”, spune oceanograful biologic Maria T. „Maite” Maldonado de la Universitatea British Columbia din Vancouver, Canada. Ea a fost una dintre organizatoarele atelierului de planificare din 2018 pentru potențialul viitor program BioGeoSCAPES. Ea speră că Clio va oferi o fereastră fără precedent asupra comunităților microbiene ale acestor zone și a influenței acestora asupra ciclului nutrienților prin coloana de apă. Cercetările anterioare au arătat că zonele cu oxigen minim eliberează puternicul oxid de azot cu gaze de seră (7). Și studiile arată că, în ultimele decenii, zonele cu oxigen minim s-au extins ca dimensiune ca urmare a încălzirii oceanelor (8), preluând un strat mai larg al coloanei de apă și au emis ipoteza că vor duce la activități de pescuit mai puțin productive în Statele Unite ., Chile și India, printre alte țări (9).

Clio are limitări. Se poate scufunda până la 6.000 de metri, dincolo de care carcasele sale ar imploda sub presiune, spune Jakuba. În viitor, el speră să actualizeze designul lui Clio pentru a-i permite să se scufunde mai departe, în tranșee adânci ale oceanului, unde ar putea descoperi noi biogeoscape oceanice. Nu există un instrument comparabil pentru colectarea probelor biologice din tranșee, spune Maldonado. „Cine știe”, adaugă ea, „poate cu Clio vom descoperi noi medii despre care nu știm acum”.

Note de subsol

↵ * M. T. Maldonado, A. Marchetti, M. Saito, A. Tagliabue, „Biogeoscapes: metabolismul oceanului și ciclurile nutrienților pe o planetă în schimbare” în Rezumatul viziunii din grupul de lucru mic Biogeoscapes (2018).