Os pesquisadores demonstraram o valor da realização de genômica de célula única em larga escala coletando quase 500 células únicas de uma única amostra de sedimento de fonte termal de baixa diversidade. Seu trabalho mostrou que a genômica de célula única pode agregar valor significativo às outras abordagens de sequenciamento independente de cultura comumente usadas, incluindo amplicon e sequenciamento metagenômico. Por exemplo, eles mostraram que a composição da comunidade era semelhante em todas as abordagens de sequenciamento, que conjuntos específicos de espécies de células únicas abrigavam elementos genéticos móveis que foram perdidos em genomas montados de metagenoma emparelhados (MAGs) e que as populações dominantes variavam em relação à quantidade de recombinação dentro das espécies, indicando variação no fluxo gênico entre os membros da comunidade analisada.
Embora os micróbios ajudem a regular os ciclos de nutrientes do planeta e sejam potencialmente úteis em campos que vão da agricultura à biotecnologia e medicina, a grande maioria no planeta e ao redor dele permanece desconhecida. Nos últimos anos, avanços nas tecnologias de sequenciamento e ferramentas de bioinformática ajudaram a decodificar os genomas de dezenas de milhares de micróbios anteriormente desconhecidos e não cultivados por meio da metagenômica. Tais técnicas tiram proveito de ferramentas de bioinformática para extrair fragmentos de genomas microbianos diretamente de dados de sequências ambientais, juntando cada genoma a partir de grandes misturas de sequências genômicas. Uma abordagem complementar para isso é a genômica de célula única, onde as células de amostras ambientais são primeiro separadas e seus genomas então amplificados e sequenciados individualmente, oferecendo aos cientistas a oportunidade de aplicar abordagens de genômica populacional a células intimamente relacionadas retiradas diretamente do ambiente.

Dewar Creek é uma fonte termal remota, nas profundezas do sertão da Colúmbia Britânica (Purcell Wilderness Conservancy Provincial Park of British Columbia, BC Parks). Nessas nascentes, as temperaturas podem chegar a 80C (~ 190F), mas os micróbios prosperam aqui. As comunidades neste ambiente extremo são frequentemente menos diversificadas do que aquelas dentro de ecossistemas mais moderados. Alguns anos atrás, uma linhagem bacteriana candidata foi identificada a partir de conjuntos de dados de sequência microbiana e metagenoma gerados a partir de um punhado de fontes termais, incluindo Dewar Creek.

Continuando as explorações neste ambiente único, pesquisadores da Universidade de Calgary e do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Joint Genome Institute (JGI), uma instalação do DOE Office of Science User Facility localizada no Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), empregou um único sequenciamento de células para avaliar a diversidade dentro e entre populações microbianas. O trabalho foi publicado no The ISME Journal .

Membros do laboratório de Dunfield coletaram amostras desta fonte termal. Uma única amostra foi então usada para produzir um conjunto de dados de amplicon pareado (também conhecido como sequenciamento de genes 16S rRNA), um metagenoma de espingarda e um conjunto de dados de célula única de quase 500 genomas de célula única. A parte de célula única deste trabalho foi realizada por Danielle Goudeau e Rex Malmstrom do grupo de Aplicações de Microescala do JGI. As células foram classificadas aleatoriamente, todo o genoma amplificado, depois sequenciado e montado. Robert Bowers, um cientista do JGI dentro do Programa Microbiano, liderou as análises genômicas para comparar os conjuntos de dados resultantes, enfatizando a utilidade do sequenciamento de células únicas para avaliar a variação dentro das populações microbianas naturais.

Cada uma das três abordagens de sequenciamento produziu um perfil de comunidade geralmente semelhante. Mas cada abordagem demonstra todo o seu valor em diferentes escalas. O sequenciamento de Amplicon é comumente usado para avaliar flutuações na diversidade microbiana em milhares de amostras. Atualmente, a metagenômica está sendo aplicada em dezenas a centenas de amostras, enquanto as abordagens de célula única têm sido normalmente usadas como complemento para isolar o sequenciamento, ou seja, quando as células-alvo não podem ser cultivadas em laboratório.

O que torna este estudo particular único é a aplicação da genômica de célula única a toda uma comunidade. Dada a baixa diversidade microbiana da fonte termal amostrada, um conjunto de dados de quase 500 células individuais cobriu a diversidade da maioria dos taxa dentro da amostra. Além disso, as três linhagens mais abundantes foram representadas por genomas de célula única suficientes para facilitar uma análise da heterogeneidade dentro e entre a população, comparando os ATGCs dos genomas de cada célula. A equipe mostrou que, embora a ampla diversidade no nível de nucleotídeos fosse semelhante nas linhagens dominantes, cada grupo microbiano exibia perfis de recombinação muito diferentes. Isso é semelhante à estrutura das redes de mídia social, onde um grupo de mídia social pode ter um conjunto relativamente restrito de amigos, enquanto outro pode exibir poucas limitações para interações e novas conexões, compartilhando assim mais ideias, semelhante ao compartilhamento de genes dentro de um grupo altamente recombinar a população microbiana. Este trabalho mostra a utilidade do sequenciamento de células únicas, pois o monitoramento da heterogeneidade em nível populacional de micróbios não cultivados fornecerá aos pesquisadores a capacidade de capturar a variação em escala fina dentro das populações que é um precursor da diversificação em nível de cepa e especiação microbiana.