I ricercatori hanno dimostrato il valore della conduzione della genomica a cellula singola su larga scala raccogliendo quasi 500 cellule singole da un singolo campione di sedimenti di sorgenti termali a bassa diversità. Il loro lavoro ha dimostrato che la genomica a cellula singola può aggiungere un valore significativo agli altri approcci di sequenziamento indipendenti dalla cultura comunemente usati, tra cui l'amplicone e il sequenziamento metagenomico. Ad esempio, hanno dimostrato che la composizione della comunità era simile tra gli approcci di sequenziamento, che insiemi di singole cellule specifiche per specie ospitavano elementi genetici mobili che erano mancati all'interno di genomi assemblati di metagenomi accoppiati (MAG) e che le popolazioni dominanti variavano rispetto alla quantità di ricombinazione all'interno delle specie, indicando la variazione nel flusso genico tra i membri della comunità analizzati.

Sebbene i microbi aiutino a regolare i cicli dei nutrienti del pianeta e siano potenzialmente utili in campi che vanno dall'agricoltura alla biotecnologia e alla medicina, la stragrande maggioranza nel, sul e intorno al pianeta rimane sconosciuta. Negli ultimi anni, i progressi nelle tecnologie di sequenziamento e negli strumenti bioinformatici hanno aiutato a decodificare i genomi di decine di migliaia di microbi precedentemente sconosciuti e non coltivati ​​attraverso la metagenomica. Tali tecniche sfruttano gli strumenti bioinformatici per estrarre frammenti di genomi microbici direttamente dai dati delle sequenze ambientali, mettendo insieme ciascun genoma da grandi miscele di sequenze genomiche. Un approccio complementare a questo è la genomica unicellulare, in cui le cellule di campioni ambientali vengono prima separate e i loro genomi poi amplificati e sequenziati individualmente, offrendo agli scienziati l'opportunità di applicare approcci di genomica di popolazione a cellule strettamente imparentate prelevate direttamente dall'ambiente.

Dewar Creek è una remota sorgente termale, nel profondo dell'entroterra della Columbia Britannica (Purcell Wilderness Conservancy Provincial Park of British Columbia, BC Parks). In queste sorgenti, le temperature possono raggiungere gli 80°C (~ 190°F), ma qui i microbi prosperano. Le comunità in questo ambiente estremo sono spesso meno diversificate di quelle all'interno di ecosistemi più moderati. Alcuni anni fa, è stato identificato un lignaggio batterico candidato da set di dati sulla sequenza microbica e metagenomica generati da una manciata di sorgenti termali, tra cui Dewar Creek.

Continuando le esplorazioni in questo ambiente unico, i ricercatori dell'Università di Calgary e del Joint Genome Institute (JGI) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, un DOE Office of Science User Facility situato presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), hanno impiegato single- sequenziamento cellulare per valutare la diversità all'interno e tra le popolazioni microbiche. Il lavoro è apparso su The ISME Journal .

I membri del laboratorio di Dunfield hanno raccolto campioni da questa primavera calda. Un singolo campione è stato quindi utilizzato per produrre un set di dati di amplicone accoppiato (noto anche come sequenziamento del gene 16S rRNA), un metagenoma a fucile e un set di dati a singola cellula di quasi 500 genomi a cellula singola. La parte unicellulare di questo lavoro è stata eseguita da Danielle Goudeau e Rex Malmstrom del gruppo Microscale Applications della JGI. Le cellule sono state ordinate casualmente, l'intero genoma amplificato, quindi sequenziato e assemblato. Robert Bowers, uno scienziato del JGI all'interno del Programma microbico, ha condotto le analisi genomiche per confrontare i set di dati risultanti, sottolineando l'utilità del sequenziamento a cellula singola per valutare la variazione all'interno delle popolazioni microbiche naturali.

Ciascuno dei tre approcci di sequenziamento ha prodotto un profilo di comunità generalmente simile. Ma ogni approccio dimostra il suo pieno valore su scale diverse. Il sequenziamento dell'amplicone è comunemente usato per valutare le fluttuazioni nella diversità microbica in migliaia di campioni. La metagenomica viene attualmente applicata a decine o centinaia di campioni, mentre gli approcci a cellula singola sono stati in genere utilizzati come complemento per isolare il sequenziamento, ovvero quando le cellule bersaglio non possono essere coltivate in laboratorio.

Ciò che rende unico questo particolare studio è l'applicazione della genomica unicellulare a un'intera comunità. Data la bassa diversità microbica della sorgente termale campionata, un set di dati di quasi 500 singole cellule copriva la diversità della maggior parte dei taxa all'interno del campione. Inoltre, i tre lignaggi più abbondanti erano rappresentati da un numero sufficiente di genomi a cellula singola per facilitare un'analisi dell'eterogeneità all'interno e tra la popolazione confrontando gli ATGC dei genomi di ciascuna singola cellula. Il team ha dimostrato che mentre l'ampia diversità a livello di nucleotide era simile tra i lignaggi dominanti, ogni gruppo microbico mostrava profili di ricombinazione molto diversi. Questo è simile alla struttura delle reti di social media in cui un gruppo di social media può avere un gruppo di amici relativamente limitato, mentre un altro potrebbe mostrare poche limitazioni alle interazioni e nuove connessioni, condividendo così più idee, simile alla condivisione di geni all'interno di un ambiente altamente ricombinazione della popolazione microbica. Questo lavoro mette in mostra l'utilità del sequenziamento delle singole cellule, poiché il monitoraggio dell'eterogeneità a livello di popolazione dei microbi incolti fornirà ai ricercatori la capacità di catturare la variazione su scala fine all'interno delle popolazioni che è un precursore della diversificazione a livello di ceppo e della speciazione microbica.