Using microbiomes as microsensors to forecast toxic algae blooms

使用微生物组作为微传感器来预测有毒藻类的繁殖

基本信息

  • 批准号:
    10619616
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 15.62万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-05-10 至 2025-04-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Project Summary Harmful algal blooms (HABs) are becoming one of the greatest coastal and inland water quality threats to public health. They last longer, occur more frequently and produce a wider range of toxic chemicals that negatively impact human health than in past decades, yet we cannot forecast when an algal population will bloom or produce toxins. As avoidance is the only public health strategy, there is a critical need to 1) develop early warning detection systems to inform the public before (>24 hours) a harmful algae bloom, and 2) identify chemical or physical cues in the water column that forecast HAB initiation for eventual biomarker development. Co-occurring marine microbial communities (i.e., the microbiome) respond to light-driven circadian rhythms of local photosynthetic algal populations and changes in water chemistry. This results in a detectable shift in the microbiome’s expressed functions (i.e., molecular phenotype) that correlate to algal behavior and chemical perturbations. We hypothesize that the time-dependent, molecular phenotype of the microbiome responds to environmental perturbations that precede a toxic algal bloom, providing early detection of HAB formation. The overall objective for this project is to track a) peptides expressed by the microbiome, and b) waterborne metabolites associated with changing water chemistry in Eastsound, WA, the only known location that has predictably timed HABs twice every year. No other HABs can currently be spatially or temporally predicted even within a 1 to 2-week window. To capture the microbiome’s molecular signature of pre-bloom conditions, we will conduct two field collections in year 1 timed to precede bloom initiation. For the next year only, we have been granted 24hr access to a private dock in Eastsound, enabling the first-ever pre-bloom sample collection to understand HAB formation. Our established high-resolution environmental samplers will collect the microbiome and surrounding water every 4 hrs. Since cells tightly regulate protein abundance, changes in protein levels associated with circadian patterns can be systematically quantified using novel mass spectrometry-based peptide analyses. We will assess >20,000 peptides and test for rhythmicity and the loss thereof, revealing critical timepoints that precede HAB formation and indicate a significant change in the local water or physical conditions. Using the timing knowledge gained, we will then quantify metabolites in those, and adjacent, archived timepoints using untargeted mass spectrometric metabolomics, connecting modulations in peptide rhythmicity directly to microbiome metabolism and their chemical cues. The major outcome of the proposed work will be the identification of peptide and metabolite biomarkers that precede HAB formation and a fundamental understanding of chemical controls on bloom formation and toxin production. Our long-term goal is to develop a rapid molecular assay that detects the identified changes in 1) the functionality of the water microbiome and/or 2) crucial waterborne metabolites in advance of harmful algal bloom formation, in order to prevent human exposure to bloom toxins, thereby protecting human health.
项目概要 有害藻华 (HAB) 正在成为沿海和内陆水质面临的最大威胁之一 它们持续时间更长,发生更频繁,并产生更广泛的有毒化学物质。 与过去几十年相比,对人类健康的负面影响更大,但我们无法预测藻类种群何时会减少 由于避免是唯一的公共卫生策略,因此迫切需要 1) 开发。 预警检测系统在有害藻类大量繁殖之前(>24 小时)通知公众,以及 2) 识别 水体中的化学或物理线索可预测 HAB 的启动以及最终生物标志物的形成。 共存的海洋微生物群落(即微生物组)对光驱动的昼夜节律做出反应 当地光合藻类种群的变化和水化学的变化这导致了可检测到的变化。 微生物组表达的功能(即分子表型)与藻类行为和化学物质相关 我们发现微生物组的时间依赖性分子表型会做出反应。 有毒藻类大量繁殖之前的环境扰动,可以及早发现 HAB 的形成。 该项目的总体目标是追踪 a) 微生物组表达的肽,以及 b) 水性 与华盛顿州伊斯特桑德水化学变化有关的代谢物,这是唯一已知的发生过这种情况的地方 每年两次可预测的HAB,目前无法在空间或时间上预测其他HAB。 即使在 1 到 2 周的时间内,为了捕获开花前条件的微生物组分子特征, 我们将在第一年在开花开始之前进行两次现场收集,仅在第二年,我们有。 被授予 24 小时进入 Eastsound 私人码头的权限,实现了有史以来第一次花期前的样本收集 为了了解 HAB 的形成,我们建立的高分辨率环境采样器将收集 由于细胞严格调节蛋白质丰度,微生物组和周围的水每 4 小时就会发生变化。 与昼夜节律模式相关的蛋白质水平可以使用新质量进行系统量化 我们将评估 >20,000 种肽并测试节律性和丢失。 因此,揭示了HAB形成之前的关键时间点,并表明当地的显着变化 利用获得的时间知识,我们将量化其中的代谢物, 和相邻的存档时间点,使用非目标质谱代谢组学,连接调制 肽节律直接影响微生物组代谢及其化学线索。 拟议的工作将是鉴定 HAB 形成之前的肽和代谢物生物标志物, 对水华形成和毒素产生的化学控制有基本的了解 我们的长期目标。 是开发一种快速分子检测方法,检测 1) 水的功能性变化 微生物组和/或 2) 在有害藻华形成之前关键的水生代谢物,以便 防止人类接触水华毒素,从而保护人类健康。

项目成果

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