نگاه متاژنوميك به كارايي آنزيم‌ها و ميكروارگانيسم‌ها در بخش‌هاي مختلف چرخه كربن

Metagenomic insights into the efficiency of enzymes and microorganisms in different sections of the carbon cycle

مطالعات متاژنوميك درك ما از نقش ميكروارگانيسم‌ها در چرخه كربن را در طيف وسيعي از محيط‌هاي آبي، از سيستم‌هاي اليگوتروفيك گرفته تا اكوسيستم‌هاي آلوده به نفت، متحول كرده است. روش‌هاي سنتي معمولاً در شناسايي كامل پتانسيل متابوليك ميكروارگانيسم‌هاي غيرقابل كشت ناكام مي‌مانند. در اين مطالعه ما از روش‌هاي متاژنوميك براي بررسي پاسخ‌هاي ميكروبي و كارايي آنزيمي در بخش‌هاي مختلف چرخه كربن به‌ويژه تجزيه هيدروكربن‌ها و تثبيت كربن استفاده كرديم. در اين مطالعه خليج فارس به عنوان يك اكوسيستم آبي ارزشمند و داراي آلودگي‌هاي نفتي مزمن مورد بررسي قرار گرفت. نمونه‌هاي آب و رسوبات در امتداد يك گراديان آلودگي جمع‌آوري شد. با استفاده از تكنيك‌هاي پيشرفته متاژنوميك، تاكسون‌هاي كليدي مانند Oceanospirillales  و Alteromonadales  شناسايي شد كه تحت تاثير آلودگي نفتي ظاهر مي‌شوند و نشان دهنده انطباق گونه‌هايي از جمعيت ميكروبي و ايفاي نقش آنها در فرآيندهاي تجزيه زيستي است. در ادامه اين مطالعه، ۲۴۰۰۰ ژنوم باكتريايي و آركيايي از بانك‌هاي ژني دريافت و تحليل شد تا تنوع آنزيم‌هاي مربوط به تجزيه هيدروكربن‌هاي هوازي مورد ارزيابي قرار گرفت. رويكرد ژن‌محور مورد استفاده در اين پژوهش تنوع گسترده و انتقال افقي ژن‌هاي كليدي را به‌ويژه در درون Proteobacteria  و Actinobacteriota  آشكار كرد و ظرفيت ميكروبي را براي انطباق با سوبستراهاي هيدروكربني مختلف نشان داد. مطالعه انجام شده در سيستم‌هاي آب زيرزميني عميق در پوسته فنوسكانديا، يكي از فقيرترين محيط‌هاي طبيعي از نظر مواد مغذي، نشان داد كه جوامع ميكروبي تحت تأثير تعاملات متابوليكي متقابل هستند. برخلاف نظريه streamlining ، ما مشاهده كرديم كه ژنوم‌هاي بزرگ‌تر در اين محيط‌هاي اليگوتروفيك بيشتر شايع بودند. در اين محيطها كمبود و پراكندگي محدود مواد مغذي، نيچ‌هاي اكولوژيكي متمايزي را ايجاد مي‌كند كه به تعاملات متقابل وابسته هستند. اين يافته‌ها بر اهميت تعاملات متابوليكي در شكل‌دهي به ساختار جوامع ميكروبي و تكامل ژنوم تأكيد مي‌كند. به‌طور كلي، اين تحقيقات تأثير تحول‌آفرين متاژنوميك در فاش كردن پتانسيل متابوليكي ميكروبها و نقش‌هاي آنها در چرخه كربن در محيط‌هاي آبي متنوع را برجسته مي‌سازد. اين دانش كاربردهاي بسيار مهمي در انتخاب استراتژي‌هاي پاكسازي زيستي دارد و درك ما از استراتژي‌هاي بقاي ميكروبي در شرايط نامساعد محيطي را افزايش مي‌دهد.

Metagenomic studies have revolutionized our understanding of microbial roles in the carbon cycle across diverse aquatic environments, from oligotrophic to oil-polluted ecosystems. Traditional methods often fail to uncover the full metabolic potential of uncultivable microorganisms. Our research utilized metagenomics to investigate microbial responses and enzymatic efficiencies in different carbon cycle sections, focusing on hydrocarbon degradation and carbon fixation. In the Persian Gulf, a chronically oil-polluted region, we collected water and sediment samples along a pollution continuum. Using advanced metagenomic techniques, we identified key taxa like Oceanospirillales and Alteromonadales that bloom under oil contamination, highlighting microbial adaptability and division of labour in bioremediation. Expanding on this, we analyzed 24,000 publicly available bacterial and archaeal genomes to assess the diversity of enzymes involved in aerobic hydrocarbon degradation. Our gene-centric approach uncovered extensive diversification and horizontal gene transfer of key enzymes, particularly within Proteobacteria and Actinobacteriota, showcasing the microbial capacity to adapt to various hydrocarbon substrates. Our study of deep groundwater systems in the Fennoscandian Shield, one of the most nutrient-limited environments, revealed that microbial community is driven by metabolic cross-feeding interactions. Contrary to the streamlining theory, larger genomes were more prevalent in these oligotrophic environments, where nutrient scarcity and limited dispersal create distinct ecological niches reliant on cross-feeding. These findings underline the importance of metabolic interactions in shaping community structure and genome evolution. These findings underscore the transformative impact of metagenomics in revealing microbial metabolic potential and roles in carbon cycling across diverse aquatic environments, informing bioremediation strategies and understanding microbial survival strategies in extreme conditions.