空間真的是最后的邊界，還是離家較近的最大謎團(tuán)?在宇宙學(xué)中，暗物質(zhì)被認(rèn)為是宇宙中大部分質(zhì)量的原因，然而它的存在是通過間接效應(yīng)而不是通過望遠(yuǎn)鏡檢測出來的。生物等效物是“微生物暗物質(zhì)”，這是地球上普遍存在但幾乎看不見的生命基礎(chǔ)設(shè)施，它可以對從植物生長和健康到地球和海洋環(huán)境中的養(yǎng)分循環(huán)，全球最重要的環(huán)境過程產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。碳循環(huán)，甚至可能是氣候過程。 通過采用從單細(xì)胞分離的基因組的下一代DNA測序在系統(tǒng)地揭示和填充細(xì)菌和古生物樹中未知的分支的巨大任務(wù)中正在取得重大進(jìn)展。在由美國能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)領(lǐng)導(dǎo)的國際合作中

美國能源部JGI主任艾迪魯賓說：“這一成就更像是21世紀(jì)相當(dāng)于劉易斯和克拉克開辟美國西部的遠(yuǎn)征，而不是對空間的嚴(yán)峻感到疑惑。” “這是DOE JGI如何開拓發(fā)現(xiàn)的一個(gè)有力例證，因?yàn)槲覀兛梢圆捎酶咄糠椒◤臄?shù)百萬個(gè)細(xì)胞的復(fù)雜環(huán)境樣本中分離和表征單個(gè)基因組，從而為我們的微生物進(jìn)化提供一個(gè)深刻的飛躍。行星。這真是下一個(gè)偉大的前沿。“

這種微生物暗物質(zhì)運(yùn)動(dòng)針對來自九個(gè)不同棲息地的未開墾的微生物細(xì)胞：不列顛哥倫比亞省的Sakinaw湖; 希臘西部的Etoliko瀉湖; 墨西哥的污泥反應(yīng)堆; 緬因?yàn)? 在夏威夷瓦胡島的北海岸，南大西洋的熱帶環(huán)流; 東太平洋崛起; 南達(dá)科他州的霍姆斯塔克礦; 和內(nèi)華達(dá)州的大沸騰春天。從這些樣本中，研究小組對9,000個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了激光分選，從中可以重新組裝并鑒定出201個(gè)不同的基因組，然后這些基因組可以與生命樹中28個(gè)主要的未知主要分支對齊。

“微生物是地球上最豐富多樣的生命形式，”DOE JGI微生物項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，Nature 出版物的資深作者Tanja Woyke說 。“它們占據(jù)了從海洋的最深處到最干旱的沙漠的所有可以想象的環(huán)境利基。然而，我們對其習(xí)慣和潛在益處的了解受到這樣一個(gè)事實(shí)的阻礙，即絕大多數(shù)這些尚未在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)。因此，我們最近才通過不依賴于培養(yǎng)的方法，例如宏基因組學(xué)和單細(xì)胞基因組學(xué)，了解它們在各種生態(tài)系統(tǒng)中的作用。我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的是意想不到的代謝特征，這些特征擴(kuò)展了我們對生物學(xué)的理解，并挑戰(zhàn)了生命領(lǐng)域之間已建立的界限。“

為了解決在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)大多數(shù)微生物的困難，最近的努力集中于進(jìn)行基于測序標(biāo)記或16S核糖體RNA基因的調(diào)查，這些基因在微生物譜系中是保守的，因?yàn)樗鼈冏鳛?ldquo;管家”基因的重要作用 - 對于生物體的關(guān)鍵生存。然而，大多數(shù)這些譜系的其余基因組的基因組測序進(jìn)行得慢得多。“數(shù)據(jù)庫中的微生物基因組表現(xiàn)非常偏倚，”DOE JGI博士后研究員，該研究的第一作者Chris Rinke說。“超過四分之三的所有測序基因組分為三個(gè)分類組或門，但我們知道有超過60個(gè)門。”然而，對于大多數(shù)，它們沒有可用的培養(yǎng)成員。

“根據(jù)16S調(diào)查，我們知道它們在那里，但我們對它們知之甚少 - 這就是我們稱之為微生物暗物質(zhì)的原因，”Woyke補(bǔ)充道。“使用現(xiàn)代的單細(xì)胞技術(shù)，我們可以獲得其中一些的基因組成，即使沒有在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)它們。”

為了“尋求新的生活”，該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果分為三個(gè)主要方面。首先是發(fā)現(xiàn)意想不到的代謝特征。他們觀察到古細(xì)菌中的某些特征，這些特征以前只在細(xì)菌中出現(xiàn)，反之亦然。一種這樣的性狀涉及細(xì)菌通常用于在其保護(hù)性細(xì)胞壁內(nèi)產(chǎn)生空間的酶，這是所需的，因此細(xì)胞可以例如在細(xì)胞分裂期間擴(kuò)增。由于它通常切割保護(hù)性細(xì)菌細(xì)胞包膜，因此需要對其進(jìn)行非常嚴(yán)格的調(diào)節(jié)。有史以來第一次發(fā)現(xiàn)一群古菌被編碼成這種有效的酶，作者假設(shè)古菌可能將其作為抵御細(xì)菌攻擊的防御機(jī)制。

這項(xiàng)工作產(chǎn)生的第二個(gè)貢獻(xiàn)是將來自其他棲息地的大約3.4億個(gè)DNA片段的數(shù)據(jù)正確地重新分配或裝箱到適當(dāng)?shù)淖V系。該課程校正提供了有關(guān)生物如何在特定生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境中發(fā)揮作用的見解，以及對新發(fā)現(xiàn)的基因與居住生命形式的關(guān)聯(lián)的大大改進(jìn)和更準(zhǔn)確的理解。

第三個(gè)發(fā)現(xiàn)是微生物門之間和之間的關(guān)系的解決 - 域和類之間的分類排序 - 這導(dǎo)致團(tuán)隊(duì)提出兩個(gè)新的超文本，它們是門之間的高度穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)。201基因組提供了堅(jiān)實(shí)的參考點(diǎn)，系統(tǒng)發(fā)育的錨點(diǎn) - 生物體隨著時(shí)間的推移而變化的譜系歷史。“我們的單細(xì)胞基因組讓我們看到了未培養(yǎng)生物之間的進(jìn)化關(guān)系 - 這些洞察力超出了16S rRNA樹的單一位點(diǎn)分辨率，對研究細(xì)菌和古菌的多樣性和進(jìn)化至關(guān)重要，”Woyke說。“這有點(diǎn)像看一下家譜，找出你的姐妹和兄弟是誰。在這里，我們?yōu)樯锶鹤隽诉@個(gè)，我們只有遺傳信息的片段。我們解釋了數(shù)百萬這些遺傳信息，如夜空中的遙遠(yuǎn)恒星，試圖將它們與可識別的星座對齊。起初，我們不知道他們應(yīng)該是什么樣子，但是我們可以估計(jì)他們之間的關(guān)系，而不是空間，但是在進(jìn)化時(shí)期。“Woyke和她的同事正在尋求更準(zhǔn)確地描述這些關(guān)系，以便他們可以更好地預(yù)測代謝特性和可由不同微生物群體表達(dá)的其他有用特征。

Phil Hugenholtz，昆士蘭大學(xué)澳大利亞生態(tài)基因組學(xué)中心主任，前美國能源部JGI研究員，以及該論文的另一篇作者強(qiáng)調(diào)了接受這種探險(xiǎn)的動(dòng)機(jī)。“近20年來，我們對人們對生命之樹大片區(qū)域知之甚少感到驚訝。該項(xiàng)目是解決這一巨大知識差距的第一個(gè)系統(tǒng)性工作。其中一個(gè)最重要的貢獻(xiàn)是基于這些數(shù)據(jù)，我們提供了許多這些譜系的名稱，這些譜系與大多數(shù)星系統(tǒng)一樣，之前只是編號。對我來說，分類學(xué)分配很重要，因?yàn)樗鼩g迎陌生人并使他們成為家庭的一部分。然而，這只是一個(gè)開始。我們談?wù)摰目赡苁菙?shù)以百萬計(jì)的微生物物種仍有待描述，“Hugenholtz說。

宇宙學(xué)家只繪制了可觀測宇宙的百分之一的一半，而環(huán)境基因組學(xué)中的前方路徑同樣令人生畏。“仍有大量的多樣性需要探索，”沃伊克說。“為了嘗試捕獲目前已知的系統(tǒng)發(fā)育多樣性的50%，我們必須對20,000多個(gè)基因組進(jìn)行測序，并且必須根據(jù)樹上代表性不足的分支的成員來選擇這些基因組。而且，可以肯定的是，這些只是已知的存在。“