The uppermost water horizon of subglacial Lake Vostok could be microbial DNA-free, as shown by Oxford Nanopore sequencing technology

Целью исследования был поиск микробной жизни в подледниковом антарктическом озере Восток путем изучения верхнего слоя воды, попавшей в скважину и замерзшей в ней после того, как озеро было вскрыто. Образец был получен из скважины на глубине 3721 м и состоял изо льда замерзшей озерной воды. Он был тщательно деконтаминирован, расплавлен в чистом помещении, и выделенная геномная ДНК была амплифицирована с использованием вырожденных праймеров, специфичных для области v3-v4 бактериальных генов 16S рРНК. Для секвенирования полученных ампликонов использовали метод Сэнджера и технологию высокопроизводительного секвенирования Oxford Nanopore. Анализ ДНК по методу Сэнджера выявил в общей сложности 16 бактериальных филотипов, из которых только один филотип, 3721v34-24, прошел все критерии на контаминацию. Этот филотип был доминирующим и включал 41,4 % клонов с тремя аллельными вариантами, но остался неклассифицированным, показав 87,7 % сходства с ближайшим таксоном в GenBank Mucilaginibacter daejeonensis NR_041505 из филума Bacteroidota (семейство Sphingobacteriaceae). Технология Oxford Nanopore секвенирования дала 21067 прочтений для образца 3721 м и 3780 прочтений для контроля. Из них 7203 (34 %) и 1988 (53 %) прочтений для образца льда и контроля, соответственно, были классифицированы с аккуратностью 93 %. Для образца 3721 м был идентифицирован 21 бактериальный филотип с численностью таксонов выше 0,5 %. Пятнадцать из них оказались общими с находками по Сэнгеру, а остальные шесть были уникальными, но присутствовали в нанопоровом контроле или оказались очевидными контаминантами. Пятнадцать филотипов, совпадающих с таковыми по Сэнджеру, были определены как контаминанты. Филотип по Сэнджеру 3721v34-24, который считался истинной находкой для воды озера, в нанопоровом секвенировании был обнаружен как в образце льда 3721 м, так и контроле, т. е. был также отнесен к контаминантам. Таким образом, самый верхний горизонт воды в озере Восток может не содержать микробной ДНК. Для прояснения этого вопроса проводятся дальнейшие исследования замерзших в скважине проб воды.

1. Bulat S., Petit J.R. Vostok, Subglacial Lake. In: Gargaud M. (ed.) Encyclopedia of Astrobiology. Berlin, Heidelberg: Springer; 2023. P. 3206–3212. https://doi.org/10.1007/978-3-662-65093-6_1765

2. Siegert M.J. Lakes beneath the ice sheet: the occurrence, analysis, and future exploration of Lake Vostok and other Antarctic Subglacial Lakes. Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 2005;33:215–245. https://doi.org/10.1146/annurev.earth.33.092203.122725

3. Kotlyakov V.M., Krenev V.A. Who discovered the Lake Vostok? Led i Sneg = Ice and Snow. 2016;56(3):427–432. (In Russ). https://doi.org/10.15356/2076-6734-2016-3-427-432

4. Kapitsa A.P., Ridley J.K., Robin G. de Q., Siegert M.J., Zotikov I.A. A large deep freshwater lake beneath the ice of central East Antarctica. Nature. 1996;381:684–686. https://doi.org/10.1038/381684a0

5. Priscu J.C., Adams E.E., Lyons W.B., Voytek M.A., Mogk D.W., Brown R.L., McKay C.P., Takacs C.D., Welch K.A., Wolf C.F., Kirshtein J.D., Avci R. Geomicrobiology of subglacial ice above Lake Vostok, Antarctica. Science. 1999;286:2141–2144. https://doi.org/10.1126/science.286.5447.2141

6. Karl D.M., Bird D.F., Bjorkman K., Houlihan T., Shakelford R., Tupas L. Microorganisms in the accreted ice of Lake Vostok. Science. 1999;286:2144–2147. https://doi.org/10.1126/science.286.5447.2144

7. D’Elia T., Veerapaneni R., Rogers S.O. Isolation of microbes from Lake Vostok accretion ice. Applied Environmental Microbiology. 2008;74:4962–4965. https://doi.org/10.1128/AEM.02501-07

8. Shtarkman Y.M., Koçer Z.A., Edgar R., Veerapaneni R.S., Morris P.F., Rogers S.O. Subglacial Lake Vostok (Antarctica) accretion ice contains a diverse set of sequences from aquatic, marine and sediment-inhabiting bacteria and eukarya. PLOS ONE. 2013;8(7):e67221. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0067221

9. Rogers S.O., Shtarkman Yu.M., Koçer Z.A., Edgar R., Veerapaneni R., D’Elia T. Ecology of subglacial Lake Vostok (Antarctica), based on metagenomic/metatranscriptomic analyses of accretion ice. Biology. 2013;2:629–650. https://doi.org/10.3390/biology2020629

10. Epova E.Y., Shevelev A.B., Akbayev R.M., Biryukova Y.K., Zylkova M.V., Bogdanova E.S., Guseva M.A., Tynio Y.Y., Egorov V.V. Heterotrophic microbiota from the oligotrophic waters of Lake Vostok, Antarctica. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2022;19:4025. https://doi.org/10.3390/ijerph19074025

11. Bulat S.A. Microbiology of the subglacial Lake Vostok: first results of borehole-frozen lake water analysis and prospects for searching lake inhabitants. Philosophical Transactions of the Royal Society A . 2016;374:20140292. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0292

12. Bulat S. SubglacialAntarctic Lake Vostok vs. subglacial South Pole Martian Lake and hypersaline Canadian Arctic Lakes — prospects for life. In: Proceeding of the JpGU Meeting 2019, Makuhari Messe, Chiba, Japan. 2019;PPS04-12. https://confit.atlas.jp/guide/event-img/jpgu2019/PPS04-12/public/pdf?type=in

13. Lukin V.V., Vasiliev N.I. Technological aspects of the final phase of drilling borehole 5G and unsealing Vostok subglacial lake, East Antarctica. Annals of Glaciology. 2014;55(65):83–89. https://doi.org/10.3189/2014AoG65A002

14. Ciuffreda L., Rodríguez-Pérez H., Flores C. Nanopore sequencing and its application to the study of microbial communities. Computational Structural Biotech Journal. 2021;19:1497–1511. https://doi.org/10.1016/j.csbj.2021.02.020

15. National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. Technology developments to advance Antarctic research: Proceedings of a workshop. Washington, DC: The National Academies Press; 2022. https://doi.org/10.17226/26699

16. Bulat S.A., Alekhina I.A., Blot M., Petit J.-R., de Angelis M., Wagenbach D., Lipenkov V.Ya., Vasilyeva L.P., Wloch D.M., Raynaud D., Lukin V.V. DNA signature of thermophilic bacteria from the aged accretion ice of Lake Vostok, Antarctica: implications for searching for life in extreme icy environments. International Journal of Astrobiology. 2004;3(1):1–12. https://doi.org/10.1017/S1473550404001879

17. Merkel A.Y., Pimenov N.V., Rusanov I.I., Slobodkin A.I., Slobodkina G.B., Tarnovetckii I.Yu., Frolov E.N., Dubin A.V., Perevalova A.A., Bonch-Osmolovskaya E.A. Microbial diversity and autotrophic activity in Kamchatka hot springs. Extremophiles. 2017;21:307–317. https://doi.org/10.1007/s00792-016-0903-1

18. Bulat S.A., Doronin M.V., D.A. Sumbatyan D.A. New microbial finds in the subglacial Antarctic Lake Vostok. In: Proceedings of the The eleventh Moscow solar system symposium 11M-S3; October 5-9, 2020, Moscow. Moscow: Space Research Institute RAS; 2020. P. 102. https://doi/org/0.21046/11MS3-2020

19. Sriaroon P., Elizalde A., Perez E.E., Leiding J.W., Aldrovandi G.M., Sleasman J.W. Psychrobacter immobilis septicemia in a boy with X-linked chronic granulomatous disease and fulminant hepatic failure. J. Clin. Immunol. 2014;34(1):39–41. https://doi.org/10.1007/s10875-013-9961-7

20. Gomes da Rocha I.M., Torrinhas R., Fonseca D., de Oliveira Lyra C., de Sousa J.L., Neri A., Balmant B.D., Callado L., Charlton K., Queiroz N., Waitzberg D.L. Pro-inflammatory diet Is correlated with high Veillonella rogosae, gut inflammation and clinical relapse of inflammatory bowel disease. Nutrients. 2023;15(19):4148. https://doi.org/10.3390/nu15194148

21. Bulat S., Doronin M., Sumbatyan D. The uppermost water horizon of the subglacial Antarctic Lake Vostok is microbial DNA-free as proven by Oxford Nanopore sequencing technology. In: Full Abstract Book. Antarctica in a changing World. SCAR Open Science Conference 2022, 1–10 August, 2022; Hyderabad, India. 2022; P. 612.

22. Lipenkov V.Y., Ekaykin A.A., Polyakova E.V., Raynaud D. Characterization of subglacial Lake Vostok as seen from physical and isotope properties of accreted ice. Philosophical Transactions of the Royal Society A 2016;374:20140303. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0303

23. Chopra A., Lineweaver C.H. The case for a Gaian Bottleneck: The biology of habitability. Astrobiology. 2016;16:7–22. https://doi.org/10.1089/ast.2015.1387