由加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)跨國(guó)研究對(duì)10,575個(gè)基因組進(jìn)行了全面分析，發(fā)現(xiàn) 生命樹(shù)底部的微生物域之間的進(jìn)化接近性接近，查爾斯·達(dá)爾文(Charles Darwin)所描述的進(jìn)化分支模式比160年前，在他的《物種起源》一書(shū)中 。

目前公認(rèn)的生命之樹(shù)由細(xì)菌和古生菌的兩個(gè)微生物域組成，以及較高等生物的第三個(gè)域，真核生物，其細(xì)胞具有細(xì)胞核以包裹其DNA，并且可能是從古細(xì)菌演化而來(lái)的。

這項(xiàng)發(fā)表在《自然通訊》上的研究發(fā)現(xiàn)，古細(xì)菌和細(xì)菌之間的進(jìn)化距離比以前的大多數(shù)研究都更緊密。加州大學(xué)圣地亞哥分校醫(yī)學(xué)院系博士后朱其云說(shuō)，這一新結(jié)果來(lái)自使用一組全面的381個(gè)標(biāo)記基因與數(shù)十種核心基因(例如以前的研究中通常使用的核糖體蛋白)的比較。兒科和該論文的主要作者。

“與以往的大多數(shù)工作一樣，我們的工作表明遺傳信息的采樣不足或不均勻，導(dǎo)致對(duì)生命樹(shù)的看法有偏見(jiàn)，因此限制了我們建立進(jìn)化關(guān)系的能力，”朱說(shuō)。

研究人員還產(chǎn)生了經(jīng)過(guò)時(shí)間校準(zhǔn)的樹(shù)木，并假設(shè)了一個(gè)通用的分子鐘，并且藍(lán)細(xì)菌和黑素細(xì)菌之間的分裂發(fā)生在大約25億年前，當(dāng)時(shí)大氣層被充氧。這些樹(shù)木的根基意味著生命起源發(fā)生在大約40億年前，當(dāng)時(shí)考慮了381個(gè)標(biāo)記基因，而大約70億年前，則考慮了30種核糖體蛋白。研究人員說(shuō)，后者時(shí)間不可信，因?yàn)樗鹊厍蚰挲g大，這進(jìn)一步支持了研究中采用的基因的選擇。

這項(xiàng)研究的資深作者，圣地亞哥大學(xué)UC微生物學(xué)創(chuàng)新中心創(chuàng)始主任，兒科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程教授羅布·奈特(Rob Knight)說(shuō)，從兒科的角度看，它的意義在于，許多成年后患上的疾病都有它們根植于兒童時(shí)期的人類微生物組。

奈特說(shuō)：“在過(guò)去15年中，我們從人類微生物組中收集DNA序列的能力得到了極大的提高，但我們解釋數(shù)據(jù)的能力依賴于高度不完整的參考數(shù)據(jù)庫(kù)。” “提高我們對(duì)微生物之間進(jìn)化關(guān)系的理解的精確度，使我們能夠更好地理解這些變化的發(fā)生方式，以及如何針對(duì)這些變化來(lái)改善兒童時(shí)期的微生物組，從而不僅解決基于微生物組的早期疾病，而且改善健康狀況在一個(gè)人的一生中。”

朱進(jìn)一步指出：“我們希望以統(tǒng)計(jì)上均等的方式選擇具有10,575個(gè)基因組的樹(shù)將是寶貴的資源。我們已經(jīng)在參考數(shù)據(jù)庫(kù)中公開(kāi)提供了我們的結(jié)果，并開(kāi)發(fā)了計(jì)算工具來(lái)對(duì)其進(jìn)行研究。在Knight實(shí)驗(yàn)室目前正在進(jìn)行的多個(gè)微生物組研究中，我們已經(jīng)見(jiàn)證了使用該資源的顯著進(jìn)步。”

可擴(kuò)展算法和強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)

可擴(kuò)展算法和功能強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)的可用性對(duì)于進(jìn)行這項(xiàng)研究至關(guān)重要。

兩種方法都給出了相似的樹(shù)，但是匯總方法具有固有的可擴(kuò)展性并可以使用所有基因組數(shù)據(jù)，因此可以更好地解決主要微生物譜系之間的基礎(chǔ)關(guān)系，而級(jí)聯(lián)方法要求子采樣在計(jì)算上是可行的。為了便于分析研究中的大量數(shù)據(jù)，Mirarab實(shí)驗(yàn)室的博士學(xué)位學(xué)生，論文的第一作者Uyen Mai開(kāi)發(fā)了新的方法來(lái)擴(kuò)展匯總方法。

大多數(shù)計(jì)算是 在加州大學(xué)圣地亞哥分校的圣地亞哥超級(jí)計(jì)算機(jī)中心(SDSC)的彗星超級(jí)計(jì)算機(jī)上完成的 。SDSC的杰出科學(xué)家Wayne Pfeiffer在Comet的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行了2,000多次運(yùn)行， 以生成基因樹(shù)，而Mai則在彗星的GPU節(jié)點(diǎn)上使用ASTRAL組合了這些樹(shù) 。

朱總結(jié)說(shuō)：“我們?cè)谌齻€(gè)方面推進(jìn)了最新的系統(tǒng)發(fā)育研究：微生物生命形式的更大，更均勻的表示，全基因組信息的更全面使用以及改進(jìn)的方法，用于精確解決進(jìn)化關(guān)系。SDSC的超級(jí)計(jì)算能力使這成為可能。”