Bild: Nina Dagberg och Ashish Verma/UMF

Släktforskning i planktonsoppan

Östersjöns vatten rymmer tusentals mikroskopiska planktonarter, många av dem alldeles för små för att artbestämma ens med mikroskop. Men med modern DNA-sekvensering öppnas en helt ny värld. Kartläggningen av Östersjöns plankton pågår för fullt, och i bakteriernas arvsmassa har forskarna gjort en historisk upptäckt.

Man har länge känt till att havsvatten innehåller en mängd olika växtplankton och djurplankton, men på 1950-talet gjorde man en förbluffande upptäckt. Tidigare hade man räknat bakterier i vatten genom att räkna hur många kolonier man fick på odlingsplattor. Nu började man istället att filtrera vatten och räkna enskilda bakterier i mikroskop. Det visade sig att vattnet innehöll ungefär tusen gånger fler bakterier än vad man tidigare hade trott.

Varje liter innehåller ungefär en miljard bakterieplankton och ungefär en miljon växt- och djurplankton. Anledningen till att många fler bakterier är synliga i mikroskopet än vad som dyker upp på odlingsplattorna är att flertalet av havets bakterieplankton är svåra att odla. De växer ofta långsamt och är i regel beroende av specifika molekyler som andra plankton bildar. Detta gör det krångligt att studera dem och forskarna började förstå att en stor del av havets ekosystem var förbisett.

Vattenprovtagning ombord på forskningsfartyget RV Alkor. En vattenhämtare fäst på en vajer används för att ta prover på olika djup. Vattenproverna filtreras ombord och filtren med plankton fryses för senare DNA-analys. Foto: Helen Tammert.

DNA kodar vårt arv

Med modern DNA-sekvensering där man kartlägger arvsmassa har nu forskarna fått ett nytt fönster till havets mikrobiella värld. En organisms arvsmassa är uppbyggd av DNA, en lång sträng uppbyggd av de fyra olika kvävebaserna A, T, C och G. En människas arvsmassa innehåller totalt cirka 3 miljarder kvävebaser och en bakteries ca 1-3 miljoner. DNA-strängen rymmer information för ett antal tusen nedärvda egenskaper; gener. En gen motsvaras av en cirka 1 000 kvävebaser lång DNA-sekvens. Ett bakterieplankton har cirka 1 000 - 3 000 gener, jämfört med människans cirka 22 000.

För att sekvensera DNA börjar man med att filtrera ut plankton från ett vattenprov. Ur de uppsamlade planktonen extraherar man sedan DNA. I en slags molekylär kopieringsmaskin (PCR) används enzymer för att kopiera upp DNA för en bestämd gen som fungerar bra som artmarkör, det vill säga att man utifrån den exakta ordningen på kvävebaserna i genen kan avgöra vilken art den tillhör. Det kan liknas vid en slags unik streckkod för varje art.


Med DNA-streckkodning detekterar man vanligtvis några hundra olika arter av bakterieplankton i ett vattenprov. Arterna varierar beroende på bland annat temperatur, salthalt, syrehalt och sammansättningen av näringsämnen. Foto: Helen Tammert.

När en DNA-sekvenseringsmaskin sedan avläser några tusen gener från provet, och dessa jämförs med sekvenserna i en referensdatabas, så kan forskaren se både vilka arter och ungefär hur mycket av varje art som finns i provet. DNA-streckkodning fungerar både för bakterie-, växt- och djurplankton och är snabbare än att räkna plankton i mikroskop. Identifiering med mikroskop fungerar heller inte på det stora flertalet av plankton eftersom de är för små för att särskiljas med mikroskop.

En annan DNA-baserad metod kallas för metagenomik. Istället för att bara sekvensera specifika artmarkör-gener, så sekvenserar man flera miljoner slumpvisa DNA-bitar från ett prov, och pusslar med en kraftfull dator ihop dessa till längre fragment. Dessa fragment kan i sin tur grupperas till mer eller mindre hela arvsmassor för olika arter. Då forskaren fått kännedom om vilka gener en organism bär på så kan hen dra slutsatser om bland annat vilka näringsämnen den omsätter, vilka vitaminer den kan tillverka eller om den kan producera toxiner. I vissa fall fungerar metagenomik även bättre för att skilja på närbesläktade arter, jämfört med DNA-streckkodning.

En oväntad upptäckt

Vi och andra forskare har sedan ett tiotal år använt oss av DNA-sekvensering för att kartlägga Östersjöns mikroorganismer. Våra första studier med DNA-streckkodning av bakterieplankton visade att brackvattnet i Östersjön består av en blandning av typiska havs- och sötvatten­organismer, samma som gäller för fiskar och makroalger. Och även det mikrobiella samhället övergår gradvis från att bestå framförallt av sötvattensläktingar i norr där salthalten är låg, till mest havsvattensläktingar ju längre söderut och närmare det saltare Västerhavet man kommer.

Vi trodde först att det rörde sig om plankton från Atlanten och sjöar runt Östersjön som anpassat sig till det bräckta vattnet efter det att inlandsisen drog sig tillbaka och Östersjön skapades. Precis som man sett hos större organismer, som fisk och makroalger. Men när vi med meta­genomik började pussla ihop arvsmassorna för planktonen i Östersjön fick vi en mer detaljerad bild än vad bara DNA-streckkoderna visade, som i vissa fall har svårt att skilja på närbesläktade organismer.

"... ur en evolutionär synvinkel motsvarar en sådan förändring i arvsmassan mycket längre tid än 8 000 år, vilket är den tid som Östersjön funnits."

Det blev uppenbart att även om Östersjöns bakterieplankton är genetiskt ganska lika söt- och saltvattenplankton så skiljer sig mer än en procent av DNA-baserna. Det låter kanske inte mycket, men ur en evolutionär synvinkel motsvarar en sådan förändring i arvsmassan mycket längre tid än 8 000 år, vilket är den tid som Östersjön funnits.

Hav utan gränser

Intressant nog är arvsmassorna i det närmaste identiska med DNA från andra brackvatten-ekosystem, som Kaspiska havet och amerikanska brackvattenbukter. Östersjöns bakterieplankton före­faller alltså tillhöra brackvattenspecialister som har en global spridning och som har utvecklats från sina söt- och havsvattensläktingar långt före Östersjön bildades. Hur dessa sprids över jorden återstår att undersöka, men man har sett att bakterier kan färdas i luften långa sträckor i små vattendroppar (aerosoler). Andra möjligheter är att de sprids med havsströmmar, med flyttande fåglar, eller numera med ballastvatten i fartyg.

Tillsammans med andra forskargrupper har vi nu byggt ihop arvsmassorna för 350 arter av bakterieplankton i Östersjön. Dessa motsvarar tillsammans cirka en tredjedel av DNA-molekylerna i vattenproverna och utgör alltså en väsentlig del av bakteriefloran. Dessutom har vi satt upp en databas med flera miljoner mikrobiella Östersjögener. Dessa resurser används nu av forskare för att studera olika mikrobiella processer i havet, som till exempel hur miljögiftet kvicksilver metyleras (en process som gör kvicksilvret mycket giftigare) eller när, var och av vilka vitamin B1 (tiamin) produceras. Tiam­in är en vitamin som är essentiell för allt liv i havet, och som till stor del produceras av mikroorganismer.

Indikator på miljötillstånd

I vår egen forskning försöker vi bland annat förstå vad som styr utbredningen av olika mikroorganismer, vilket är viktigt för att förutse hur ekosystemen kommer att förändras som en effekt av klimatförändringar. Fascinerande nog går det att med maskininlärning förutse planktonens utbredning ganska väl enbart genom att se vilka specifika gener de bär på.

Vi har också börjat använda meta­genomdata som en indikator på miljötillstånd. Eftersom alla mikroorganismer har sina specifika nischer och är känsliga för förändringar i sin omgivning, vilket inkluderar allt från salthalt till koncentrationer av näringsämnen eller miljögifter, så kan artsammansättningen i ett prov användas för att mäta olika miljöparametrar.

Utvecklingen går mycket fort framåt, och det finns nu instrument som är mindre än en mobiltelefon för att sekvensera DNA. Det är inte omöjligt att miljöövervakning i framtiden kommer inbegripa DNA-sekvensering i realtid på till exempel bojar i havet. Det kan inkludera både att mäta förekomst av specifika plankton, som olika toxin-producerande arter, och att indirekt mäta miljötillstånd utifrån sammansättningen av bakterieplankton i vattnet.

TEXT OCH KONTAKT:
Anders Andersson, Institutionen för Genteknologi, Science for Life Laboratory, KTH
anders.andersson(snabel-a)scilifelab.se
LÄS MER:

Metagenome-assembled genomes uncover a global brackish microbiome. Vetenskaplig artikel.

Ecosystem-wide metagenomic binning enables prediction of ecological niches from genomes. Vetenskaplig artikel.
Bild: {{item.image_copyright}}

{{item.item_head}}

{{item.ii_caption}}

Laddar nästa artikel..