盡管全球微生物種群數(shù)量幾乎比地球上或地球上的任何其他種群大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但迄今為止只發(fā)現(xiàn)了一小部分。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日發(fā)表在Nature Communications上的一項(xiàng)研究中，美國(guó)能源部聯(lián)合基因組研究所(JEI)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)利用最大的宏基因組數(shù)據(jù)集來(lái)發(fā)現(xiàn)一個(gè)全新的細(xì)菌門(mén)。他們稱(chēng)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)有一個(gè)特定的目標(biāo)可以追求，但推斷可能有大量未開(kāi)發(fā)的多樣性等待在所有的宏基因組數(shù)據(jù)中被發(fā)現(xiàn)。”

噪聲中的信號(hào)

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噪音中的信號(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(kāi)始。在研究了相當(dāng)于1,700多個(gè)人類(lèi)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(lèi)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)的公小社和金澤池 - 這些都不能放入任何可識(shí)別的門(mén)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(mén)的譜系，命名為Kryptonia(Candidatus Kryptonia)，來(lái)自希臘語(yǔ)中的“隱藏”。

鑒于目前有35個(gè)培養(yǎng)的細(xì)菌和古細(xì)菌門(mén)，以及大致相同數(shù)量的公認(rèn)的未培養(yǎng)門(mén)，Eloe-Fadrosh說(shuō)，鑒定一個(gè)新的候選門(mén)是一個(gè)驚喜。“你不是每天都能找到一個(gè)全新的門(mén)。所有的研究都是在溫泉中進(jìn)行的，我們假設(shè)所有新奇事物都已被發(fā)現(xiàn)。但我們發(fā)現(xiàn)這些未知的譜系豐富多彩。”

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。“雖然圍繞CRISPR-Cas系統(tǒng)的生物技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了大量研究和媒體關(guān)注，但我們非常高興將其用作重建有機(jī)體感染史的強(qiáng)大工具，以及發(fā)現(xiàn)和追蹤相關(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(lài)其他微生物來(lái)滿(mǎn)足幾種營(yíng)養(yǎng)需求，這表明這個(gè)候選門(mén)雖然在地?zé)崛泻茇S富，但之前沒(méi)有找到過(guò)這種候選門(mén)的原因。“我們假設(shè)Kryptonia參與代謝伙伴關(guān)系，培養(yǎng)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)菌不一定會(huì)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)域的一大挑戰(zhàn)是量化微生物多樣性，而這些技術(shù)使我們更接近于實(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(xiě)道：“有理由相信，目前的方法可能確實(shí)會(huì)錯(cuò)過(guò)分類(lèi)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)充說(shuō)。

她的言論與研究合著者和內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校的DOE JGI合作者Brian Hedlund提供的猜測(cè)相呼應(yīng)。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(xiāo)售來(lái)自嗜熱生物的酶，用于快速診斷測(cè)試，包括DOE JGI在黃石熱池上進(jìn)行的先前研究。“如果人們花時(shí)間和金錢(qián)尋找微生物，我相信應(yīng)用程序就在那里，”他說(shuō)。