نگاه متاژنومیک به کارایی آنزیم‌ها و میکروارگانیسم‌ها در بخش‌های مختلف چرخه کربن

مطالعات متاژنومیک درک ما از نقش میکروارگانیسم‌ها در چرخه کربن را در طیف وسیعی از محیط‌های آبی، از سیستم‌های الیگوتروفیک گرفته تا اکوسیستم‌های آلوده به نفت، متحول کرده است. روش‌های سنتی معمولاً در شناسایی کامل پتانسیل متابولیک میکروارگانیسم‌های غیرقابل کشت ناکام می‌مانند. در این مطالعه ما از روش‌های متاژنومیک برای بررسی پاسخ‌های میکروبی و کارایی آنزیمی در بخش‌های مختلف چرخه کربن به‌ویژه تجزیه هیدروکربن‌ها و تثبیت کربن استفاده کردیم. در این مطالعه خلیج فارس به عنوان یک اکوسیستم آبی ارزشمند و دارای آلودگی‌های نفتی مزمن مورد بررسی قرار گرفت. نمونه‌های آب و رسوبات در امتداد یک گرادیان آلودگی جمع‌آوری شد. با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته متاژنومیک، تاکسون‌های کلیدی مانند oceanospirillales  و alteromonadales  شناسایی شد که تحت تاثیر آلودگی نفتی ظاهر می‌شوند و نشان دهنده انطباق گونه‌هایی از جمعیت میکروبی و ایفای نقش آنها در فرآیندهای تجزیه زیستی است. در ادامه این مطالعه، 24000 ژنوم باکتریایی و آرکیایی از بانک‌های ژنی دریافت و تحلیل شد تا تنوع آنزیم‌های مربوط به تجزیه هیدروکربن‌های هوازی مورد ارزیابی قرار گرفت. رویکرد ژن‌محور مورد استفاده در این پژوهش تنوع گسترده و انتقال افقی ژن‌های کلیدی را به‌ویژه در درون proteobacteria  و actinobacteriota  آشکار کرد و ظرفیت میکروبی را برای انطباق با سوبستراهای هیدروکربنی مختلف نشان داد. مطالعه انجام شده در سیستم‌های آب زیرزمینی عمیق در پوسته فنوسکاندیا، یکی از فقیرترین محیط‌های طبیعی از نظر مواد مغذی، نشان داد که جوامع میکروبی تحت تاثیر تعاملات متابولیکی متقابل هستند. برخلاف نظریه streamlining ، ما مشاهده کردیم که ژنوم‌های بزرگ‌تر در این محیط‌های الیگوتروفیک بیشتر شایع بودند. در این محیطها کمبود و پراکندگی محدود مواد مغذی، نیچ‌های اکولوژیکی متمایزی را ایجاد می‌کند که به تعاملات متقابل وابسته هستند. این یافته‌ها بر اهمیت تعاملات متابولیکی در شکل‌دهی به ساختار جوامع میکروبی و تکامل ژنوم تاکید می‌کند. به‌طور کلی، این تحقیقات تاثیر تحول‌آفرین متاژنومیک در فاش کردن پتانسیل متابولیکی میکروبها و نقش‌های آنها در چرخه کربن در محیط‌های آبی متنوع را برجسته می‌سازد. این دانش کاربردهای بسیار مهمی در انتخاب استراتژی‌های پاکسازی زیستی دارد و درک ما از استراتژی‌های بقای میکروبی در شرایط نامساعد محیطی را افزایش می‌دهد.

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

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.