美國(guó)能源部(DOE)正在尋求揭示地球微生物多樣性的真實(shí)程度，以便更多地了解在調(diào)節(jié)關(guān)鍵生物地球化學(xué)循環(huán)中起關(guān)鍵作用的基因，酶和代謝途徑。更徹底的調(diào)查可能會(huì)為能源部研究人員推進(jìn)其能源和環(huán)境調(diào)查的新策略。

在2016年1月27日在發(fā)表的研究自然的通信， 在美國(guó)能源部聯(lián)合基因組研究所(JGI)，一個(gè)美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的用戶工具，研究人員領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用宏基因組數(shù)據(jù)集的規(guī)模最大的集發(fā)現(xiàn)一個(gè)完全新的細(xì)菌門那他們稱之為“Kryptonia”。

研究第一作者，美國(guó)能源部JGI研究科學(xué)家Emiley Eloe-Fadrosh說(shuō)：“我們有興趣尋找以前沒(méi)有表征過(guò)的新的，不同的細(xì)菌或古細(xì)菌序列。” “我們沒(méi)有特別追求的目標(biāo)，但他們認(rèn)為，在所有的宏基因組數(shù)據(jù)中都有可能存在大量未開發(fā)的多樣性。”

分析大量基因組數(shù)據(jù)的研究人員與使用金屬探測(cè)器慢慢掃描海灘的海灘漫步者不同。兩者都在尋找暗示寶藏的信號(hào)，無(wú)論是新奇的微生物還是海盜金。該團(tuán)隊(duì)以微生物組樣本(IMG / M)系統(tǒng)的綜合微生物基因組中的5.2萬(wàn)億堿基(Terabases或Tb)序列開始。在研究了相當(dāng)于1,700多個(gè)人類基因組或100萬(wàn)個(gè)大腸桿菌細(xì)菌基因組后，研究小組確定了長(zhǎng)序列，其中包含通常用于指定所有生命(細(xì)菌，古細(xì)菌和真核生物)的系統(tǒng)發(fā)育標(biāo)記(對(duì)應(yīng)于核糖體RNA，rRNA的DNA)進(jìn)入一個(gè)特定的分類系統(tǒng)。

該團(tuán)隊(duì)確定了來(lái)自四個(gè)不同地?zé)釡厝男蛄?- 大沸騰泉，內(nèi)華達(dá)州，加拿大的杜瓦河泉，以及中國(guó)的公小舍和金澤池 - 這些都不能放入任何可識(shí)別的門中。從宏基因組數(shù)據(jù)集和單細(xì)胞基因組重建基因組產(chǎn)生了四個(gè)屬于新候選門的譜系，命名為Kryptonia(Candidatus Kryptonia)，來(lái)自希臘語(yǔ)中的“隱藏”。

考慮到目前有35個(gè)培養(yǎng)的細(xì)菌和古細(xì)菌門，以及大致相同數(shù)量的公認(rèn)的未培養(yǎng)門，Eloe-Fadrosh說(shuō)，鑒定一個(gè)新的候選門是一個(gè)驚喜。“你不是每天都能找到一個(gè)全新的門。隨著所有在溫泉中進(jìn)行的研究，人們都認(rèn)為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了所有新奇事物。但我們發(fā)現(xiàn)這些未知的譜系豐富。“更新：自然微生物學(xué)的一篇補(bǔ)充論文推測(cè)由于技術(shù)偏差而仍然未知的微生物譜系。有關(guān)詳情，請(qǐng)?jiān)L問(wèn) http://jgi.doe.gov/strategy-to-uncover-more-microbial-lineages/。

從該宏基因組學(xué)數(shù)據(jù)集中回收的幾乎完整的Kryptonia基因組的分析也揭示了在這些生物體中存在CRISPR-Cas噬菌體防御系統(tǒng)。利用這些信息，該團(tuán)隊(duì)能夠跟蹤 Kryptonia相對(duì)于感染細(xì)菌的假定噬菌體的全球生物地理分布。“雖然很多研究和媒體關(guān)注圍繞CRISPR-Cas系統(tǒng)的生物技術(shù)應(yīng)用，但我們非常高興使用它作為重建有機(jī)體感染史的強(qiáng)大工具，以及發(fā)現(xiàn)的指紋和跟蹤相關(guān)病毒，“該論文的共同作者，原核生物超級(jí)計(jì)劃負(fù)責(zé)人Nikos Kyrpides說(shuō)。

揭露新奇也揭示了偏見(jiàn)

對(duì)Kryptonia的分析表明，細(xì)菌需要依賴其他微生物來(lái)滿足幾種營(yíng)養(yǎng)需求，這表明這個(gè)候選門在以前沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)的原因，盡管它在地?zé)崛泻茇S富。“我們假設(shè)Kryptonia參與代謝伙伴關(guān)系，培育在野外具有獨(dú)特相互作用的細(xì)菌非常具有挑戰(zhàn)性，這些細(xì)菌不一定能在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)制，”Eloe-Fadrosh說(shuō)，他認(rèn)為宏基因組學(xué)的綜合力量和單細(xì)胞基因組學(xué)捕獲本文所述的新型微生物。“我認(rèn)為該領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)之一是量化微生物多樣性，這些技術(shù)讓我們更接近實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”

這項(xiàng)工作強(qiáng)化了DOE JGI主任Eddy Rubin和Microbial Program負(fù)責(zé)人Tanja Woyke 去年在Science發(fā)表的觀點(diǎn)。他們寫道：“有理由相信，目前的方法可能確實(shí)會(huì)錯(cuò)過(guò)分類群，特別是如果它們與迄今為止已被表征的那些非常不同。” “過(guò)去對(duì)可用的宏基因組數(shù)據(jù)集的探索集中于發(fā)現(xiàn)與已知基因和基因組的匹配 - 這種分析自然偏向于揭示完全新奇的生命。”

Eloe-Fadrosh說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)在Kryptonia發(fā)現(xiàn)了獨(dú)特的代謝途徑，暗示可能還有其他與生物途徑相關(guān)的新酶等待被發(fā)現(xiàn)。“就像Taq聚合酶對(duì)分子生物學(xué)來(lái)說(shuō)是革命性的，在Kryptonia中可能存在一種具有生物技術(shù)相關(guān)性的酶，”她補(bǔ)充道。

她的話回應(yīng)了研究合著者和拉斯維加斯內(nèi)華達(dá)大學(xué)的 DOE JGI合作者Brian Hedlund所提出的猜測(cè)。注意到Kryptonia在木質(zhì)纖維素降解中發(fā)揮作用，他補(bǔ)充說(shuō)，在Kryptonia剛剛出現(xiàn)的“微生物暗物質(zhì)”中，仍有潛在的資源可供等待生物技術(shù)應(yīng)用。例如，他說(shuō)，公司正在銷售來(lái)自嗜熱生物的酶用于快速診斷測(cè)試，包括那些由DOE JGI在黃石熱池上進(jìn)行的研究。“如果人們花時(shí)間和金錢尋找微生物，我相信應(yīng)用程序就在那里，”他說(shuō)。