Les chercheurs ont démontré l'intérêt de mener une génomique unicellulaire à grande échelle en recueillant près de 500 cellules individuelles à partir d'un seul échantillon de sédiments de sources chaudes à faible diversité. Leurs travaux ont montré que la génomique unicellulaire peut ajouter une valeur significative aux autres approches de séquençage indépendantes de la culture couramment utilisées, notamment le séquençage par amplicon et métagénomique. Par exemple, ils ont montré que la composition de la communauté était similaire dans toutes les approches de séquençage, que des ensembles spécifiques d'espèces de cellules individuelles abritaient des éléments génétiques mobiles qui manquaient dans les génomes assemblés de métagénomes appariés (MAG) et que les populations dominantes variaient en fonction de la quantité. de la recombinaison au sein des espèces, indiquant une variation du flux de gènes entre les membres de la communauté analysée.

Bien que les microbes aident à réguler les cycles des nutriments de la planète et soient potentiellement utiles dans des domaines allant de l'agriculture à la biotechnologie et à la médecine, la grande majorité sur, et autour de la planète reste inconnue. Ces dernières années, les progrès des technologies de séquençage et des outils bioinformatiques ont permis de décoder les génomes de dizaines de milliers de microbes jusque-là inconnus et non cultivés grâce à la métagénomique. Ces techniques tirent parti des outils bioinformatiques pour extraire des extraits de génomes microbiens directement à partir de données de séquences environnementales, en assemblant chaque génome à partir de grands mélanges de séquences génomiques. Une approche complémentaire à cela est la génomique unicellulaire, où les cellules d'échantillons environnementaux sont d'abord séparées, puis leurs génomes amplifiés et séquencés individuellement, offrant aux scientifiques la possibilité d'appliquer des approches de génomique des populations à des cellules étroitement apparentées prélevées directement dans l'environnement.

Dewar Creek est une source thermale éloignée, située au plus profond de l'arrière-pays de la Colombie-Britannique (parc provincial Purcell Wilderness Conservancy de la Colombie-Britannique, BC Parks). Dans ces sources, les températures peuvent atteindre 80 C (~ 190 F), mais les microbes y prospèrent. Les communautés de cet environnement extrême sont souvent moins diversifiées que celles des écosystèmes plus modérés. Il y a quelques années, une lignée bactérienne candidate a été identifiée à partir d'ensembles de données de séquences microbiennes et métagénomes générées à partir d'une poignée de sources chaudes, dont Dewar Creek.

Poursuivant leurs explorations dans cet environnement unique, des chercheurs de l'Université de Calgary et du Joint Genome Institute (JGI) du Département américain de l'énergie (DOE), une installation d'utilisateurs du Bureau des sciences du DOE située au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), ont employé un seul séquençage cellulaire pour évaluer la diversité au sein et entre les populations microbiennes. Le travail est paru dans The ISME Journal .

Les membres du laboratoire de Dunfield ont prélevé des échantillons de cette source chaude. Un seul échantillon a ensuite été utilisé pour produire un ensemble de données d'amplicons appariés (séquençage du gène ARNr 16S), un métagénome de fusil de chasse et un ensemble de données à cellule unique de près de 500 génomes à cellule unique. La partie cellule unique de ce travail a été réalisée par Danielle Goudeau et Rex Malmstrom du groupe Microscale Applications du JGI. Les cellules ont été triées au hasard, le génome entier amplifié, puis séquencé et assemblé. Robert Bowers, un scientifique du JGI au sein du programme microbien, a dirigé les analyses génomiques pour comparer les ensembles de données résultants, soulignant l'utilité du séquençage de cellule unique pour évaluer la variation au sein des populations microbiennes naturelles.

Chacune des trois approches de séquençage a produit un profil communautaire généralement similaire. Mais chaque approche démontre toute sa valeur à différentes échelles. Le séquençage des amplicons est couramment utilisé pour évaluer les fluctuations de la diversité microbienne sur des milliers d'échantillons. La métagénomique est actuellement appliquée sur des dizaines à des centaines d'échantillons, tandis que les approches à cellule unique ont généralement été utilisées en complément du séquençage isolé, c'est-à-dire lorsque les cellules ciblées ne peuvent pas être cultivées en laboratoire.

Ce qui rend cette étude particulière unique, c'est l'application de la génomique unicellulaire à toute une communauté. Compte tenu de la faible diversité microbienne de la source chaude échantillonnée, un ensemble de données de près de 500 cellules individuelles couvrait la diversité de la plupart des taxons au sein de l'échantillon. De plus, les trois lignées les plus abondantes étaient représentées par suffisamment de génomes unicellulaires pour faciliter une analyse de l'hétérogénéité intra- et inter-populationnelle en comparant les ATGC des génomes de chaque cellule. L'équipe a montré que si la large diversité au niveau des nucléotides était similaire dans les lignées dominantes, chaque groupe microbien présentait des profils de recombinaison très différents. Cela s'apparente à la structure des réseaux de médias sociaux où un groupe de médias sociaux peut avoir un ensemble d'amis relativement limité, tandis qu'un autre peut présenter peu de limitations aux interactions et aux nouvelles connexions, partageant ainsi plus d'idées, similaire au partage de gènes au sein d'un groupe hautement population microbienne recombinée. Ce travail présente l'utilité du séquençage unicellulaire, car la surveillance de l'hétérogénéité au niveau de la population des microbes non cultivés fournira aux chercheurs la capacité de capturer la variation à petite échelle au sein des populations qui est un précurseur de la diversification au niveau de la souche et de la spéciation microbienne.