Janet Jansson은 1970 년대 후반 뉴 멕시코 주립 대학의 학생으로서 광대 한 지하 생활에 대해 궁금해하기 시작했습니다. 소수의 토양에는 약 100 억 개의 박테리아가 포함되어 있지만 당시 지구 과학자들은이 미생물이 무엇인지와 그들이 한 일에 대해 거의 알지 못했습니다. 나중에 스웨덴의 스톡홀름 대학교 (Stockholm University)의 젊은 미생물 생태 학자로서, 그녀는 토양 샘플링 중에 수집 한 미생물을 카탈로그로 만들기 시작하여 유전자 코드를 해독하여 내부 작업과 지하 서식지에 어떻게 적합한 지 이해할 수있었습니다.
그러나 Jansson이 파고 들었을 때, 그녀는 계속 문제를 일으켰습니다. 그런 다음 주요 방법은 DNA의 스트레치를 증폭시키고 분석하는 데 사용 된 단일 미생물의 모든 작업을 훨씬 덜 공동으로 드러낼만큼 강력하지 않았습니다. Pacific Northwest National Laboratory (PNNL)의 PNNL (Pacific Northwest National Laboratory)의 생물 과학 부서 인 Jansson은“특정 유전자에 대한 정보를 얻을 수는 있지만 시퀀싱 기술은 매우 느 렸습니다.
그런 다음 세기가 바뀌면서 새로운 고성 옥탄 DNA 시퀀싱 방법이 거의 즉시 수천 또는 수백만의 유전자를 시퀀싱 할 수있게 해주었다. 이 새롭고 빠른 방법은 연구자들이 메타 게놈으로 알려진 샘플의 집단 게놈을 처음으로 쉽게 서열 할 수 있음을 의미했습니다. 갑자기, 정체 된 늪지 및 얼어 붙은 툰드라와 같은 다양한 서식지의 전반적인 서식지 구성을 스캔하여 그들이 보유한 미생물 수명의 상세한 초상화를 만들어 냈습니다. 이러한 광범위한 스캔의 유전자 및 단백질 서열 (첫 번째 종류의 첫 번째)은 한 번 디코딩되면 각 생태계 내에서 미생물이 실제로 무엇을하고 있는지 밝힐 것입니다. 이 데이터는 연구자들이 미생물이 대기에서 이산화탄소를 어떻게 포착하고, 유기물을 분해하여 식물이 영양소에 접근 할 수 있는지, 그리고 인간 건강을 위협하는 것으로 알려진 토양 독소를 중화시키는 방법을 이해하는 데 도움이 될 것입니다. Jansson은“모든 것을 시퀀싱 할 수 있습니다. "그곳에서 메타 게놈 접근 방식이 실제로 유리한 곳입니다."
Jansson의 현재 주변 환경에 대한 거의 모든 것이 크고 대담합니다. 600 에이커의 Sycamore-Studded PNNL 캠퍼스는 워싱턴 동부를 가로 질러 굴러 가고 있습니다. 그녀의 그림 창, 냉장고 크기의 유전자 시퀀싱 기계를 통해 볼 수있는 끝없는 푸른 하늘은 팀이 토양 샘플을 퇴적시키는 냉장고 크기의 유전자 시퀀싱 기계입니다. 그러나 얀슨 (Jansson)의 유혹은 현미경의 유혹과 보이지 않는 것입니다. 토양 마이크로 바이 옴의 내용물을 매핑 해야하는 도전, 기능을 완전히 이해 한 적이없는 글로벌 커뮤니티. 얀슨은“토양”은 미소를 지으며“궁극적 인 복잡한 시스템이다.”
지하 대초원
Metagenomics가 토양 과학자들에게 완전히 새로운 지하 세계를 열기 시작하면 Jansson은 새로운 도전에 직면 한 것을 발견했습니다. 그녀가 창조하는 데 도움이 된이 신흥 분야의 범위는 엄청났습니다. 한 번의 토양에 수만 종의 종을 포함 할 수 있으며, 아직 발견되지 않은 전 세계 수백만 종이있을 것입니다. 그녀는 자신의 기능을 이해하는 엄청난 작업을 해결하기 위해 2010 년에 Argonne에있는 Argonne의 Argonne National Laboratory의 Rob Knight of the University of the University of the University of the Earth Microbiome Project라는 공동 벤처를 구성했습니다. (작년 현재, 그것은 30,000 개가 넘는 샘플을 분석했습니다.) 그러나 Jansson은 또한 실제로 깊이 파고 들기 위해서는 그녀가 평생 동안 그녀가 평생 동안 다룰 수있는 소수의 연구 가능성을 좁혔다는 것을 알았습니다.
.처음부터 그녀와 그녀의 팀은 미국의 심장부를 지배하는 대초원 토양을 연구하기 시작했습니다. 잔디의 뿌리 주변의 수천 개의 토양 미생물은 중서부 그레이트 프레리가 미국 대륙의 다른 지역보다 더 많은 탄소를 저장하는 데 도움이됩니다. 이산화탄소 분자를 슬라이스하고 재조합하는 단백질을 생산함으로써,이 미생물은 잔디와 함께 작동하여 대기 이산화탄소를 포착하여 지하에 저장되는 고체의 탄소가 풍부한 생물학적 물질로 바꿉니다. 그것은 조경이 저장할 수있는 이산화탄소가 많을수록 행성 온난화를 유발하는 온실 가스로 남을 것입니다.
.그러나 실험실에서 모든 토양 박테리아의 90 % 이상이 자랄 수 없기 때문에 연구원들은 탄소 순환에 어떻게 기여하는지 확신하지 못했습니다. Jansson은 이러한 대초원 미생물에 대한 메타 게놈 분석은 탄소 저장에 관여하는 정도를 밝히고 강우와 인간의 토지 재배가 그 역할을 변화시키는 지 여부를 밝히는 데 도움이 될 것이라고 생각했다.
Jansson의 팀은 중앙 3 분의 1을 가로 질러 미생물 참신을 찾아서 찾을 수있었습니다. 아이오와, 캔자스 및 위스콘신의 현장 현장에서, 그들은 토양을 얇게 썰도록 설계된 발 긴 중공 튜브 인 Corers라는 도구를 사용하여 토양 샘플을 가져갔습니다. Corer가 등장하면 모든 층 (이상적으로는 미생물)이있는 로그 모양의 샘플을 그대로 끌어냅니다. 그런 다음 흙 덩어리가 드라이 아이스에 보존되어 실험실로 보냈습니다. 거기서 기술자는 샘플의 DNA와 RNA를 시퀀싱합니다.
이 과정이 완료되면 프로젝트 과학자들은 각 샘플에 어떤 미생물 유전자가 포함되어 있는지, 미생물이 수행하는 생물학적 작업이 좋습니다. 토양 샘플에 이산화탄소를 대기에서 고체 탄소로 전환시키는 데 사용되는 효소를 생성하는 박테리아 유전자가 포함되어 있고, 이들 유전자는 활성이라면, 연구원들은 샘플 내에서 미생물이 탄소를 활성으로 저장하고 있다고 결론을 내릴 수있다.
.각 현장에서 연구팀은 수년간 양식 된 토양뿐만 아니라 토착민의 방해받지 않은 대초원 토양을 샘플링했습니다. 시퀀싱 된 샘플은 천연 프레리 흙에 농사 토양에서 다른 미생물의 혼합물을 함유하고 있으며, 이는 부분적으로 농업 중에 사용되는 비료에 기인 할 수 있습니다. Jansson은“이러한 비교를 보았을 때 재배의 바이오 마커처럼 강력한 미생물 시그니처가있었습니다. 그녀는 미생물이 탄소를 네이티브와 재배 토양에 저장하는 방식에 차이가 있다고 생각합니다. 향후 연구에서 더 탐구 할 주제입니다.
.얼어 붙은 툰드라
한편 얀슨과 그녀의 팀은 또한 세계에서 가장 빠르게 변화하는 기후 중 하나 인 북극의 토양을 탐험하고있었습니다. Jansson은 이러한 빠른 온도 변화가 지하 미생물 커뮤니티에 어떤 영향을 미치는지, 이러한 변화가 놀라운 부작용을 가져 왔는지에 대해 오랫동안 궁금해했습니다. 그녀는“영구 동토층에는 유기농 탄소가 너무 많아서 기후가 따뜻해지면서 어떤 일이 일어날 지 알지 못합니다.”라고 말했습니다. 그녀의 작업 초기에 Jansson은 온난화 경향이 저장된 탄소를 분해하여 대기로 방출하고 기후 변화를 불러 일으키는 박테리아 과정을 활성화시킬 수 있다고 의심했습니다. 그러나 그녀는 확실히 알지 못했기 때문에 미생물 커뮤니티 믹스가 세 가지 유형의 알래스카 지형에서 어떻게 다양했는지 연구하기로 결정했습니다. 냉동 영구 동토층, 계절이 바뀌면서 얼어 붙은 표면 토양, 비교적 따뜻한 수중 늪지 토양.
.그녀가 의심했듯이, Jansson은이 지역의 미생물 공동체들 사이에 상당한 차이를 발견했습니다. 전반적으로, 영구 동토층 샘플에는 유전자와 단백질이 거의 없었다. 그러나 동결 및 해동 토양 층에서, 시퀀싱은 토양 샘플 내의 박테리아가 식물의 셀룰로오스와 같은 탄소 분자의 긴 사슬을 연료로 사용할 수있는 짧고 단순한 당 화합물로 저격하는 효소를 포함하여 흥미로운 단백질을 생성하고 있음을 보여 주었다. 이런 일이 발생하면 이전에 "잠긴"탄소가 대기로 다시 방출됩니다. 얀슨은“토양이 해동 할 때 더 많은 분해로 전환되기 시작했다”고 말했다. 더 따뜻한 토양에서는 박테리아 탄소 파괴 공정이 시퀀싱 데이터에 명확하게 나타나기 시작합니다. 따라서 일부 관찰자들이 두려워하는 것처럼 온난화 온도는 이전에 토양에서 비활성 탄소를 방출 할 수있었습니다. 이것은 온도가 계속 상승함에 따라 런 어웨이 탄소 방출의 전망을 높입니다.
가장 놀랍게도, Jansson의 연구에서 가장 따뜻한 토양 샘플 (Spongy Bog 토양)은 이산화탄소보다 20 배 이상의 온실 가스 인 메탄 생산에 관여하는 미생물 유전자와 단백질의 배열을 나타 냈습니다. 이러한 단백질 중 하나는 메틸-코엔자임 M 환원 효소였으며, 이는 이산화탄소를 메탄으로 형질 전환시키는 데 관여한다. 이 발견은 온난화 경향이 국소 미생물을 유로하여 더 많은 양의 메탄을 생산한다는 것을 암시 할 수 있습니다. 다음으로, Jansson은 급속한 해동이 토양 미생물 개체군에 더 점진적인 해동과 다르게 영향을 미치는지 조사 할 계획입니다. 지구가 따뜻해지면서 둘 다 평범해질 수 있기 때문입니다.
박테리아 테 로르
Jansson의 동료들이 알 수 있듯이 토양 미생물은 탄소 가공기가 아닙니다. 발 아래 광대 한 미생물 공동체는 대기 질과 전세계 온도에 영향을 줄뿐만 아니라 우리가 자라는 음식의 맛과 품질에도 영향을 줄 수 있습니다. Duke University의 Thomas Mitchell-Olds는 식물의 뿌리와 주변의 미생물 개체군이 식물의 성숙 방식에 영향을 줄 수 있는지 확인하고 싶었습니다. 그와 그의 학생 Maggie Wagner는 시골 아이다 호의 4 개의 다른 수집 장소에서 토양 샘플을 가져 와서 각 샘플에서 고립 된 미생물을 가져 왔습니다. 그런 다음이 4 개의 미생물 샘플로 토양으로 채워진 냄비를 접종하고 겨자 식물의 일반적인 변형을 심었습니다. 그들 안에. 토양의 특정 유형의 미생물은 식물 개화 시간 속도 속도를 높이는 것처럼 보였고, 팀은 proteobacteria 와 같은 다른 사람들은 발견했습니다. Phylum, 속도가 느려졌습니다.
이 연구는 미생물 활동이 건강과 생산성을 심는 데 얼마나 필요한지 강조했습니다. “토양 미생물은 이미 가뭄 내성, 성장률 및 식물 성능의 다른 측면과 관련이있었습니다. 우리의 실험은이 목록에 개화 시간을 추가했습니다.”라고 Mitchell-Onds는 말했습니다. "토양 미생물이 수율을 향상 시키거나 기후 변화에 대한 완충액을 개선할지 여부에 대한 개화 시간을 조정할 수있는 잠재력은 흥미 롭습니다." 그러한 전망은 현상금을 늘리고 자하는 농민뿐만 아니라 캘리포니아의 나파 밸리의 와인 재배자들도 포도의 발달과 그 결과 빈티지의 맛에 얼마나 큰 영향을 줄 수 있는지 알고 있습니다. 나파 , 와 같은 장소의 유명한 테 로르 사실, 보이지 않는 조화에서 수천 개의 미생물이 흥얼 거리며 발생할 수 있습니다.
다른 시퀀싱 연구는 오염 물질을 분해하는 데있어 토양 미생물이 노는 중요한 역할을 설명했습니다. 인도 델리 대학교의 과학자들이 살충제 덤프에서 토양 샘플을 가져 와서 깨끗한 제어 부위의 샘플과 비교했을 때 폐기물 부위의 토양에는 pseudomonas 와 같은 특정 박테리아 그룹의 더 높은 농도의 유전자 서열이 포함되어 있다고보고했습니다. , novospingobium 및 Sphingomonas , 그것은 Hexachlorocyclohexane과 같은 일반적인 살충제를 저하시키는 것으로 알려져 있습니다. 미생물은 파울 된 풍경을 회복하는 데 도움이 될 수있는 것으로 보이며, 이는 생물 정화 노력에서 버그를 배치 할 수있는 흥미로운 가능성을 나타냅니다. PNNL의 Jansson과 긴밀히 협력하는 미생물 학자 인 Vanessa Bailey는“토양은 우리 생태계에 대한 모든 종류의 모욕에 대한 완충제입니다.
Great Prairie 프로젝트를 수행하는 연구원들은 약 1 조 약 1 조의 DNA 데이터를 컴파일 할 수 있었지만 Jansson은 토양이 그램 당 10 억에서 10 억 사이의 개별 세포를 함유하고 있다는 점에서 Prairie 토양에서 미생물 공동체의 일부만 설명한다고 생각합니다. "우리는 여전히 발견 단계에 있습니다"라고 그녀는 말했습니다. "우리는 토양 메타 게놈을 조립하기 위해해야 할 일이 많습니다." 그녀와 다른 과학자들은 더 널리 퍼진 것들에 초점을 맞추기 위해 특정 샘플에서 덜 일반적인 유전자 서열을 버리는 것과 같은 유전자 분석 과정을 간소화하기 위해 다양한 기술을 시도하고 있습니다.
.Jansson과 그녀의 동료들이 이전에 알려지지 않은 미생물 공동체에 대해 배울수록,이 지역 사회가 목록을 시작하기 위해 가뭄, 따뜻한 날씨 또는 홍수와 같은 다양한 조건에 어떻게 반응 할 것인지 예측할 수 있습니다. 그들은 이러한 예측을 컴퓨터 모델로 구축하여 주어진 환경 변화가 생성 할 수있는 미생물 활동과 그 활동의 예상 결과를 보여줄 것을 희망합니다. 이러한 모델은 환경 플래너가 원하는 끝을 달성하는 미생물 믹스를 배양하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이는 대기 탄소의 기가 톤을 잠그거나 오염을 쉽게 막거나 포도가 꿈꾸는 포도를 산출하는 토양 일 수 있습니다. Jansson은“최상의 시나리오에 존재하는 미생물에 대한 지식을 가지고 있음을 통해 시스템을 조정하여 미생물의 조합을 최적화 할 수 있습니다.”
.그러나 올바른 미생물 균형을 달성하는 것이 특정 균주의 박테리아와 토양을 접종하는 것만 큼 간단한 것은 아닙니다. Jansson은“번영하고자하는 미생물에 대한 조건이 유리하다면 번성 할 것”이라고 말했다. "당신이 씨앗과 조건이 유리하지 않다면, 그들은 단지 죽을 것입니다." 그러므로 이상적인 접근법은 종종 유익한 미생물이 자연스럽게 모여있는 풍경의 종류를 엔지니어링하는 것입니다. 매년 더 끔찍한 온난화 지역에서는 산소가 풍부한 움직이는 물이 충분히 있음을 의미 할 수 있으며, 이는 대량의 메탄을 벨치하는 혐기성 미생물에 영역이 덜 친절하게 만들 수 있습니다. 그레이트 프레리 (Great Prairie)의 재배 지역에서 농민들은 자연 미생물 다양성을 보존하는 비료를 선택하여 풍부한 식량 작물을 생성하고 대기에서 탄소 포획을 극대화 할 수 있습니다.
그럼에도 불구하고, 이와 같은 통찰력은 점진적이고 어려운 일이며, Jansson은 미래의 과학자들이 토양 미생물이 지구의 나머지 지역에 영향을 미치는 모든 방법을 발견 할 수있는 원인을 취해야한다는 것을 알고 있습니다. 현재 Jansson은 토양 측량사의 역할을 수행하여 미생물 공동체의 다양성과 폭을 매핑하므로 다른 사람들이 언젠가 지식을 통해 혜택을받을 수 있습니다. 레오나르도 다빈치 (Leonardo Da Vinci)는“우리는 천상의 몸의 움직임에 대해 더 많이 알고있다”고 말했다. 500 년이 지난 후, Jansson은 마침내 그를 잘못 증명하는 과학자가되기를 원합니다.
