寻找“微生物暗物质”

作者:文镓

<p>地球上,地上和周围的微生物比天空中的恒星更多,我们只知道我们周围的微生物多样性的一小部分为了更多地了解“微生物暗物质”,研究人员正在测序分析从世界各地收集的样本作者:Zosia Rostomian,伯克利实验室在一项新发表的研究中,一个国际研究小组详细研究了“微生物暗物质”的搜索空间真的是最后的边界,还是最接近家的神秘面纱</p><p>在宇宙学中,据说暗物质占宇宙质量的大部分,然而它的存在是通过间接效应而不是通过望远镜检测出来的</p><p>生物等价物是“微生物暗物质”,这是普遍存在但实际上看不见的生命基础设施</p><p>这个星球对植物生长和健康最重要的环境过程,陆地和海洋环境中的养分循环,全球碳循环,甚至气候过程都有深远的影响</p><p>通过采用从单一基因组分离的下一代DNA测序在由美国能源部联合基因组研究所(DOE JGI)领导的国际合作中,系统地揭示和填充细菌和古生物树中的未知分支的重大任务正在取得重大进展</p><p>伯克利实验室是最近发现的微生物暗物质研究结果2013年7月14日在“自然”杂志上发表的文章“这个成就更像是21世纪相当于刘易斯和克拉克开启美国西部的远征,而不是通过对太空的深刻思考,”DOE JGI主任Eddy Rubin说道</p><p>是DOE JGI如何开拓发现的一个有力例子,因为我们可以采用高通量方法从数百万个细胞的复杂环境样本中分离和表征单个基因组,从而为我们这个星球上的微生物进化提供一个深刻的飞跃</p><p>真的是下一个伟大的前沿“这个微生物暗物质运动针对来自9个不同栖息地的未开垦的微生物细胞:不列颠哥伦比亚省的Sakinaw湖;希腊西部的Etoliko泻湖;墨西哥的污泥反应堆;缅因湾;在夏威夷瓦胡岛的北海岸,南大西洋的热带环流;东太平洋崛起;南达科他州的霍姆斯塔克矿;内华达州的大沸腾春天从这些样本中,团队对9,000个细胞进行了激光分选,从中他们能够重新组装并识别出201个不同的基因组,然后可以将这些基因组对准生命树中28个主要的未知主要分支“微生物是世界上最丰富多样的生命形式,“自然出版物的DOE JGI微生物项目负责人和资深作者Tanja Woyke说道</p><p>”他们占据了从海洋的最深处到最干旱的沙漠的所有可想象的环境生态位</p><p>然而,我们对其习性和潜在益处的了解受到这样一个事实的阻碍:绝大多数这些尚未在实验室中培养所以我们最近才通过与培养无关的方法(如宏基因组学)了解它们在各种生态系统中的作用</p><p>和单细胞基因组学我们现在发现的是意想不到的代谢特征,扩展了我们对生物学的理解和挑战建立生命领域之间的界限“为了解决实验室中大多数微生物生长的困难,最近的努力集中于进行基于测序标记或16S核糖体RNA基因的调查,这些基因在微生物谱系中是保守的,因为它们的基本作用是”家务“基因 - 对生物体的生存至关重要”然而,大多数这些谱系的其他基因组的基因组测序进展得慢得多“数据库中的微生物基因组表现非常偏斜,”DOE JGI博士后研究员Chris Rinke说道</p><p>该研究的作者“超过四分之三的所有测序基因组分为三个分类组或门,但我们知道有超过60个门”,但是大多数,没有培养成员可用“基于16S调查我们知道它们在那里,但我们对它们知之甚少 - 这就是我们称之为微生物暗物质的原因,“Woyke补充道</p><p> “使用现代的单细胞技术使我们能够获得其中一些基因构成,即使没有在实验室中培养它们”在这种“寻求新生活”的努力中,该团队的研究结果分为三个主要领域</p><p>发现了意想不到的代谢特征他们观察到古细菌中的某些特征,以前只在细菌中出现,反之亦然</p><p>这种特性涉及细菌通常用于在其保护细胞壁内创造空间的酶,这是细胞所需要的</p><p>例如,在细胞分裂过程中扩大由于它通常切割保护性细菌细胞包膜,因此需要对其进行非常严格的调节</p><p>首次发现一组古菌用于编码这种强效酶,作者假设古菌可以部署它作为抵御细菌攻击的防御机制这项工作产生的第二个贡献是正确地重新分配或装箱了大约3.4亿个DNA片段的数据从其他栖息地到适当的血统本课程校正提供了有关生物如何在特定生态系统环境中发挥作用的见解,以及对新发现的基因与居民生命形式的关联的大大改进和更准确的理解第三个发现是解决微生物门内和微生物门之间的关系 - 域和类之间的分类排序 - 这导致团队提出两个新的superphyla,它们是门之间高度稳定的关联201基因组提供了坚实的参考点,系统发育的锚点 - 谱系历史随着时间的推移,生物体会发生变化“我们的单细胞基因组让我们看到了未开垦的生物体之间的进化关系 - 这些洞察力超越了16S rRNA树的单个基因座分辨率,对于研究细菌和古细菌的多样性和进化至关重要,”沃伊克说:“这有点像看着一棵家谱来形象你的姐妹和兄弟们是谁在这里我们为生物群做了这个,我们只有遗传信息的碎片我们解释了数百万这些遗传信息,如夜空中的遥远星星,试图将它们与可识别的星座对齐,我们不知道他们应该是什么样子,但我们可以估计他们之间的关系,而不是空间,但是在进化时期“Woyke和她的同事正在寻求更准确地表征这些关系,以便他们可以更好地预测新陈代谢可以由不同微生物群体表达的属性和其他有用特征Phil Hugenholtz,昆士兰大学澳大利亚生态基因组学中心主任,前DOE JGI研究员,以及该论文的另一篇作者强化了接受这一点的动机各种各样的探险“近20年来,我们对大规模注册的知之甚少感到惊讶生命之树的离子这个项目是解决这一巨大知识差距的第一个系统性工作</p><p>最重要的贡献之一是基于这些数据,我们提供了许多这些谱系的名称,就像大多数星系统一样,它们只是编号以前对我来说,分类学分配是重要的,因为它欢迎陌生人并使它们成为家庭的一部分然而这仅仅是一个开始我们正在谈论可能仍有待描述的数百万微生物物种,“Hugenholtz说宇宙学家只绘制了一半百分之一的可观测宇宙和环境基因组学领域的前景同样令人生畏“仍有大量的多样性需要探索,”Woyke说“为了尝试捕获目前已知的系统发育多样性的50%,我们必须序列20,000多个基因组,这些必须根据树上代表性不足的分支的成员进行选择</p><p>当然,这些是只有已知存在的“自然出版物”洞察微生物暗物质的系统发育和编码潜力“建立在DOE JGI试点项目,细菌和古细菌基因组百科全书(GEBA:http:// wwwjgidoegov / programs / GEBA)之上/)并与其他国际努力密切合作,例如微生物地球项目,该项目旨在生成所有古菌和细菌菌株的综合基因组目录(http:// wwwmicrobial-earthorg)和地球微生物组计划(http:// wwwearthmicrobiome有关GEBA-MDM的更多信息,请访问http:// genomejgidoegov / MDM /加入DOE JGI的MDM论文作者是来自德国比勒费尔德大学,加州大学戴维斯分校,悉尼科技大学的研究人员,英属哥伦比亚大学海洋科学Bigelow实验室,内华达大学拉斯维加斯分校,西希腊大学,伍兹霍尔海洋研究所,伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校和昆士兰大学澳大利亚生态基因组学中心,澳大利亚出版物:Christian Rinke等,“洞察微生物暗物质的系统发育和编码潜力”,Nature(2013); doi:101038 / nature12352来源:劳伦斯伯克利国家实验室Massie Ballon图片:Zosia Rostomian,....