少數(shù)土壤中的微生物數(shù)量超過了銀河系中的恒星數(shù)量，但研究人員對地球上的數(shù)據(jù)知之甚少，因為他們最近才有深入探索地下的工具?，F(xiàn)在美國能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)的美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室的科學(xué)家們在揭示地球微生物多樣性方面邁出了決定性的一步。在2017年6月12日在線發(fā)表于Nature Biotechnology的論文中，DOE JGI的Prokaryotic Super Program負責(zé)人Nikos Kyrpides和他的研究團隊報告了1,003種系統(tǒng)發(fā)育上不同的細菌和古細菌參考基因組的發(fā)布 - 迄今為止發(fā)布的單一最大發(fā)表。

“細菌和古細菌是地球上自由生物生物多樣性的最大部分，”該論文的高級作者Kyrpides說。“他們已經(jīng)征服了地球上的每一個環(huán)境，因此他們找到了在不同酶和不同生物化學(xué)條件下最惡劣條件下生存的方法。”

美國能源部有興趣更多地了解這種生物多樣性，因為微生物在調(diào)節(jié)地球生物地球化學(xué)循環(huán)方面發(fā)揮著重要作用 - 例如，控制地球和海洋環(huán)境中養(yǎng)分循環(huán)的過程。通過基因組測序和分析揭示基因，酶和代謝途徑的功能在生物能，生物醫(yī)學(xué)，農(nóng)業(yè)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

新功能，新應(yīng)用

這項工作是DOE JGI的細菌和古細菌基因組百科全書(GEBA)計劃的一部分，該計劃旨在對數(shù)千種細菌和古細菌基因組進行測序，以填補未開發(fā)的生命樹枝。“除了鑒定超過50萬個新的蛋白質(zhì)家族外，這項努力還使所有類型菌株的基因組序列的系統(tǒng)發(fā)育多樣性覆蓋面增加了一倍以上”，DOE JGI計算生物學(xué)家，該論文的共同第一作者Supratim Mukherjee說。 。

由于微生物基因組學(xué)研究的很大一部分主要集中在人類病原體或生物技術(shù)工作馬上，因此GEBA是全球試圖通過對多種培養(yǎng)但表征不佳的微生物菌株進行測序來解決系統(tǒng)發(fā)育覆蓋知識差距的主要工作。“人們認識到我們沒有對生命樹的許多部分進行抽樣，”美國能源部JGI計算生物學(xué)家，該論文的共同第一作者Rekha Seshadri說。“如果我們對樹的某些部分進行采樣，我們就會發(fā)現(xiàn)新功能，這可能是新應(yīng)用的重要資源。”

這些基因組的發(fā)布是近十年工作價值的結(jié)晶，2009年發(fā)布了56個GEBA基因組。這些微生物分離自海水和土壤，植物，牛瘤胃和白蟻腸道等環(huán)境。通過社區(qū)科學(xué)計劃在DOE JGI進行基因組測序和分析，通過具有微生物組(IMG / M)系統(tǒng)的綜合微生物基因組公開獲得1,003個基因組，所有相關(guān)元數(shù)據(jù)均符合基因組學(xué)標準聯(lián)盟。基因組在線數(shù)據(jù)庫。事實上，所有這些基因組在測序后立即公開發(fā)布，以最大限度地利用更大的科學(xué)界，根據(jù)DOE JGI的即時數(shù)據(jù)發(fā)布實踐，合著者Tanja Woyke說，

隨著1,003個參考基因組中高質(zhì)量基因組信息的發(fā)布，DOE JGI提供了大量新序列，對于對生物技術(shù)相關(guān)的次級代謝物特征化或研究在特定條件下工作的酶等實驗感興趣的科學(xué)家來說，這些序列非常寶貴，Seshadri說。她補充說，由于Kyrpides的研究團隊對培養(yǎng)物品系中容易獲得的菌株進行了測序，科學(xué)家們可以在實驗室中對它們進行后續(xù)實驗。“與德國萊布尼茨研究所DSMZ和美國ATCC全球生物資源中心等文化收集中心的合作關(guān)系對于實現(xiàn)這一目標至關(guān)重要，”Kyrpides說。

雖然很明顯，細菌可以啟動生物技術(shù)的創(chuàng)新 - 例如釀酒酵母(Streptococcus pyogenes)，它產(chǎn)生Cas9蛋白，在突破性的CRISPR-Cas9基因編輯工具中起到“剪刀”的作用 - 科學(xué)家們才剛剛開始揭示隱藏的潛力存在于細菌和古細菌門的廣泛遺傳多樣性中。

錨定數(shù)據(jù)的參考框架

加州大學(xué)戴維斯分校微生物學(xué)家Jonathan Eisen于2007年與Kyrpides和Phil Hugenholtz以及萊布尼茲研究所DSMZ的Hans-Peter Klenk在DOE JGI開展了GEBA項目，他認為該論文強化了在選擇微生物進行測序時，實現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)育多樣性是比隨機選擇更有用的方法。

他說，填寫生命之樹將為研究人員提供一個參考框架，用以了解他們自己的結(jié)果。“這對于解釋環(huán)境數(shù)據(jù)非常有幫助。例如，如果你去某處尋找化石床并找到大量的骨頭，但如果以前沒有人曾經(jīng)組裝過骷髏，那就沒用了，”艾森說。“但是用一個組裝的骨架作為參考，”你可以說'這看起來像一個哺乳動物'。宏基因組數(shù)據(jù)也是如此 - 如果您從[生命]樹中獲得參考基因組，您可以更準確地錨定環(huán)境數(shù)據(jù)。“

Kyrpides說：“當(dāng)我們目睹公共數(shù)據(jù)庫被低質(zhì)量或可疑質(zhì)量，高度分散和嵌合或污染的基因組注入時，這種類型菌株的基因組作為寶貴的分類學(xué)標志的重要性不容小覷。”