Sondowanie stabilnych izotopów

Sondowanie stabilnych izotopów ( SIP ) to technika ekologii drobnoustrojów służąca do śledzenia pobierania składników odżywczych w cyklach biogeochemicznych przez mikroorganizmy. Substrat jest wzbogacany cięższym stabilnym izotopem , który jest konsumowany przez badane organizmy. Biomarkery z zawartymi w nich cięższymi izotopami można oddzielić od biomarkerów zawierających lżejsze izotopy występujące w większej ilości w naturze przez wirowanie izopikniczne . Na CO2 _przykład ¹³ można wykorzystać do ustalenia, które organizmy aktywnie fotosyntetyzują lub zużywają nowy fotosyntetyzator. Jako biomarker, DNA z ¹³ C jest następnie oddzielany od DNA z ¹² C przez wirowanie. Sekwencjonowanie DNA identyfikuje, które organizmy spożywały istniejące węglowodany , a które węglowodany wytworzone niedawno w procesie fotosyntezy. SIP z ¹⁸ Wodę znakowaną O można wykorzystać do ustalenia, które organizmy aktywnie rosną, ponieważ tlen z wody jest włączany do DNA (i RNA) podczas syntezy.

Gdy biomarkerem jest DNA, SIP można przeprowadzić przy użyciu znakowanych izotopowo C, H, O lub N, chociaż najczęściej stosuje się ^{13 C.} Przesunięcie gęstości jest proporcjonalne do zmiany gęstości DNA, która zależy od różnicy masy między rzadkimi i pospolitymi izotopami danego pierwiastka oraz od obfitości pierwiastków w DNA. Na przykład różnica masy między ¹⁸ O a ¹⁶ O (dwie atomowe jednostki masy) jest dwa razy większa niż między ¹³ C a ¹² C (jedna atomowa jednostka masy), więc włączenie ¹⁸ O w DNA spowoduje większe przesunięcie gęstości na atom niż włączenie ¹³ C. I odwrotnie, DNA zawiera prawie dwa razy więcej atomów węgla (średnio 11,25 na zasadę) niż atomów tlenu (6 na zasadę), więc przy równoważnym znakowaniu ( np. 50 procent atomowych ¹³ C lub ¹⁸ O), DNA znakowany ¹⁸ O będzie tylko nieznacznie gęstszy niż DNA w pełni znakowany ¹³ C. Podobnie azot występuje w mniejszej ilości w DNA (średnio 3,75 atomów na zasadę), więc słabsze przesunięcie gęstości wyporu DNA obserwuje się w przypadku znakowanych ¹⁵ N w porównaniu z ¹³ C lub ¹⁸ substratów znakowanych O. Większe przesunięcia gęstości wyporu obserwuje się, gdy stosuje się wiele znaczników izotopowych. Ponieważ zmiany gęstości są przewidywalną funkcją zmiany masy spowodowanej asymilacją izotopów, można modelować sondowanie stabilnych izotopów w celu oszacowania ilości włączonego izotopu, podejście zwane ilościowym sondowaniem stabilnych izotopów (qSIP), które zostało zastosowane do społeczności drobnoustrojów w gleby, osady morskie i rozkładające się liście w celu porównania tempa wzrostu i asymilacji substratu wśród różnych taksonów drobnoustrojów.

Zobacz też

Trwałe znakowanie izotopowe przez aminokwasy w hodowli komórkowej

^ Dumont MG, Murrell JC (czerwiec 2005). „Stabilne sondowanie izotopowe - powiązanie tożsamości drobnoustrojów z funkcją”. Recenzje przyrody. Mikrobiologia . 3 (6): 499–504. doi : 10.1038/nrmicro1162 . PMID 15886694 . S2CID 24051877 .
^ Neufeld JD, Dumont MG, Vohra J, Murrell JC (kwiecień 2007). „Metodologiczne względy dotyczące stosowania stabilnych sond izotopowych w ekologii drobnoustrojów”. Ekologia drobnoustrojów . 53 (3): 435–42. doi : 10.1007/s00248-006-9125-x . PMID 17072677 . S2CID 9417066 .
^ Radajewski S, Ineson P, Parekh NR, Murrell JC (luty 2000). „Sondaże stabilnych izotopów jako narzędzie w ekologii drobnoustrojów”. Natura . 403 (6770): 646–9. Bibcode : 2000Natur.403..646R . doi : 10.1038/35001054 . PMID 10688198 . S2CID 4395764 .
^ Schwartz E (luty 2007). „Charakterystyka rosnących mikroorganizmów w glebie za pomocą stabilnych sond izotopowych z H ₂¹⁸ O” . Mikrobiologia stosowana i środowiskowa . 73 (8): 2541–2546. doi : 10.1128/AEM.02021-06 . PMC 1855593 . PMID 17322324 . S2CID 18653420 .
^ Cupples AM, Shaffer EA, Chee-Sanford JC, Sims GK (2007). „Zmiany gęstości wyporu DNA podczas sondowania stabilnego izotopu 15N-DNA” . Badania mikrobiologiczne . 162 (4): 328–34. doi : 10.1016/j.micres.2006.01.016 . PMID 16563712 .
^ Hungate, Bruce A.; Mau, Rebecca L.; Schwartz, Egbert; Caporaso, J. Gregory; Dijkstra, Paweł; van Gestel, Natasja; Koch, Benjamin J.; Liu, Cindy M.; McHugh, Theresa A.; Znaki, Jane C.; Morrissey, Ember M. (2015). Schloss, PD (red.). „Ilościowa ekologia drobnoustrojów dzięki sondowaniu stabilnych izotopów” . Mikrobiologia stosowana i środowiskowa . 81 (21): 7570–7581. doi : 10.1128/AEM.02280-15 . ISSN 0099-2240 . PMC 4592864 . PMID 26296731 .
^ Starr, Evan P.; Shi, Shengjing; Błażewicz, Steven J.; Koch, Benjamin J.; Probst, Aleksander J.; Hungate, Bruce A.; Pett-Ridge, Jennifer; Firestone, Mary K.; Banfield, Jillian F. (2021). „Metagenomika oparta na stabilnych izotopach, rozwiązująca genom, odkrywa potencjalne interakcje między królestwami w glebie ryzosfery” . mSphere . 6 (5): e0008521. doi : 10.1128/msphere.00085-21 . PMC 8550312 . PMID 34468166 . S2CID 237373088 .
^ Coskun, Ömer K.; Özen, Volkan; Wankel, Scott D.; Orsi, William D. (2019). „Ilościowe określenie wzrostu specyficznego dla populacji w zbiorowiskach bakterii dennych w warunkach niskiego poziomu tlenu przy użyciu H218O” . Dziennik ISME . 13 (6): 1546–1559. doi : 10.1038/s41396-019-0373-4 . ISSN 1751-7370 . PMC 6776007 . PMID 30783213 .
^ Hayer, Michaela; Schwartz, Egbert; Znaki, Jane C.; Koch, Benjamin J.; Morrissey, Ember M.; Schuettenberg, Alexa A.; Hungate, Bruce A. (2016). „Identyfikacja rosnących bakterii podczas rozkładu ściółki w wodzie słodkiej poprzez ilościowe sondowanie stabilnych izotopów” . Raporty z mikrobiologii środowiskowej . 8 (6): 975–982. doi : 10.1111/1758-2229.12475 . ISSN 1758-2229 . PMID 27657357 .

Dalsza lektura

Berry D, Loy A (grudzień 2018). „Badanie stabilnych izotopów funkcji mikrobiomu człowieka i zwierząt” . Trendy w mikrobiologii . 26 (12): 999–1007. doi : 10.1016/j.tim.2018.06.004 . PMC 6249988 . PMID 30001854 .
Egert M, Weis S, Schnell S (październik 2018). „Sondydowanie stabilnych izotopów oparte na RNA (RNA-SIP) w celu rozwikłania interakcji między gospodarzem a drobnoustrojami jelitowymi” . Metody . San Diego, Kalifornia 149 : 25–30. doi : 10.1016/j.ymet.2018.05.022 . PMID 29857194 . S2CID 46924270 .
Jiang B, Jin N, Xing Y, Su Y, Zhang D (listopad 2018). „Rozwikłanie nienadających się do uprawy degradatorów pestycydów poprzez sondowanie stabilnych izotopów (SIP)” (PDF) . Krytyczne recenzje w biotechnologii . 38 (7): 1025–1048. doi : 10.1080/07388551.2018.1427697 . PMID 29385846 . S2CID 1218065 .
Wegener G, Kellermann MY, Elvert M (październik 2016). „Śledzenie aktywności i funkcji mikroorganizmów poprzez sondowanie stabilnych izotopów lipidów błonowych” . Aktualna opinia w biotechnologii . 41 : 43–52. doi : 10.1016/j.copbio.2016.04.022 . PMID 27179643 .

[Dumont_2005-1] Dumont MG, Murrell JC (czerwiec 2005). „Stabilne sondowanie izotopowe - powiązanie tożsamości drobnoustrojów z funkcją”. Recenzje przyrody. Mikrobiologia . 3 (6): 499–504. doi : 10.1038/nrmicro1162 . PMID 15886694 . S2CID 24051877 .

[Neufeld_2007-2] Neufeld JD, Dumont MG, Vohra J, Murrell JC (kwiecień 2007). „Metodologiczne względy dotyczące stosowania stabilnych sond izotopowych w ekologii drobnoustrojów”. Ekologia drobnoustrojów . 53 (3): 435–42. doi : 10.1007/s00248-006-9125-x . PMID 17072677 . S2CID 9417066 .

[radajeweksi-3] Radajewski S, Ineson P, Parekh NR, Murrell JC (luty 2000). „Sondaże stabilnych izotopów jako narzędzie w ekologii drobnoustrojów”. Natura . 403 (6770): 646–9. Bibcode : 2000Natur.403..646R . doi : 10.1038/35001054 . PMID 10688198 . S2CID 4395764 .

[schwartz-4] Schwartz E (luty 2007). „Charakterystyka rosnących mikroorganizmów w glebie za pomocą stabilnych sond izotopowych z H ₂¹⁸ O” . Mikrobiologia stosowana i środowiskowa . 73 (8): 2541–2546. doi : 10.1128/AEM.02021-06 . PMC 1855593 . PMID 17322324 . S2CID 18653420 .

[Cupples_2007-5] Cupples AM, Shaffer EA, Chee-Sanford JC, Sims GK (2007). „Zmiany gęstości wyporu DNA podczas sondowania stabilnego izotopu 15N-DNA” . Badania mikrobiologiczne . 162 (4): 328–34. doi : 10.1016/j.micres.2006.01.016 . PMID 16563712 .

[6] Hungate, Bruce A.; Mau, Rebecca L.; Schwartz, Egbert; Caporaso, J. Gregory; Dijkstra, Paweł; van Gestel, Natasja; Koch, Benjamin J.; Liu, Cindy M.; McHugh, Theresa A.; Znaki, Jane C.; Morrissey, Ember M. (2015). Schloss, PD (red.). „Ilościowa ekologia drobnoustrojów dzięki sondowaniu stabilnych izotopów” . Mikrobiologia stosowana i środowiskowa . 81 (21): 7570–7581. doi : 10.1128/AEM.02280-15 . ISSN 0099-2240 . PMC 4592864 . PMID 26296731 .

[7] Starr, Evan P.; Shi, Shengjing; Błażewicz, Steven J.; Koch, Benjamin J.; Probst, Aleksander J.; Hungate, Bruce A.; Pett-Ridge, Jennifer; Firestone, Mary K.; Banfield, Jillian F. (2021). „Metagenomika oparta na stabilnych izotopach, rozwiązująca genom, odkrywa potencjalne interakcje między królestwami w glebie ryzosfery” . mSphere . 6 (5): e0008521. doi : 10.1128/msphere.00085-21 . PMC 8550312 . PMID 34468166 . S2CID 237373088 .

[8] Coskun, Ömer K.; Özen, Volkan; Wankel, Scott D.; Orsi, William D. (2019). „Ilościowe określenie wzrostu specyficznego dla populacji w zbiorowiskach bakterii dennych w warunkach niskiego poziomu tlenu przy użyciu H218O” . Dziennik ISME . 13 (6): 1546–1559. doi : 10.1038/s41396-019-0373-4 . ISSN 1751-7370 . PMC 6776007 . PMID 30783213 .

[9] Hayer, Michaela; Schwartz, Egbert; Znaki, Jane C.; Koch, Benjamin J.; Morrissey, Ember M.; Schuettenberg, Alexa A.; Hungate, Bruce A. (2016). „Identyfikacja rosnących bakterii podczas rozkładu ściółki w wodzie słodkiej poprzez ilościowe sondowanie stabilnych izotopów” . Raporty z mikrobiologii środowiskowej . 8 (6): 975–982. doi : 10.1111/1758-2229.12475 . ISSN 1758-2229 . PMID 27657357 .