加利福尼亞州沃爾特克里克 - 牛吃草 - 這已經(jīng)被觀察到了。從這種纖維性飲食中，主要由難以降解的植物細(xì)胞壁材料纖維素和半纖維素組成，這些物質(zhì)對大多數(shù)動物沒有營養(yǎng)價值，反芻動物設(shè)法提取他們需要的所有滋養(yǎng)自己，后代及其飼養(yǎng)者。而現(xiàn)在，母牛，或者更確切地說是在牛的前胃或瘤胃中看不見的生物網(wǎng)絡(luò)，正在為研究人員提供重要的信息，這些信息可能有一天會加速大規(guī)模部署生物燃料。這將提供一個主要類別的微生物的窗口，長期以來一直抵制科學(xué)家的成長和研究的嘗試。

通過大規(guī)模DNA測序，美國能源部(DOE)聯(lián)合基因組研究所(JGI)的研究人員在能源生物科學(xué)研究所(EBI)的支持下，對從牛中分離出的植物消化微生物的基因和基因組進(jìn)行了表征。瘤胃和1月28日發(fā)表在“ 科學(xué) ”雜志上的一項(xiàng)研究報(bào)道。與從工廠開發(fā)替代燃料相關(guān)的挑戰(zhàn)之一是與加工廠生物質(zhì)相關(guān)的高成本和能源投入，以便它可以更容易地轉(zhuǎn)化為糖并從那里轉(zhuǎn)化為生物燃料以滿足我們的運(yùn)輸需求。

“微生物已經(jīng)進(jìn)化了數(shù)百萬年，有效地降解了頑固生物量，”JGI主任，該研究的負(fù)責(zé)人Eddy Rubin說。“這些生物的群落可以在不同的生態(tài)系統(tǒng)中找到，例如在牛的瘤胃，白蟻的內(nèi)臟，堆肥堆中，以及覆蓋森林地面。微生物已經(jīng)解決了這一挑戰(zhàn)，克服了植物的保護(hù)裝甲，以確保營養(yǎng)，豐富的能源使他們和奶牛能夠茁壯成長。“

人們認(rèn)為牛在幾百萬年前首次出現(xiàn)在景觀中，大約一萬年前被人類馴化。瘤胃微生物進(jìn)化為以酶的形式產(chǎn)生分子機(jī)器，能夠有效地將植物細(xì)胞壁多糖如纖維素和半纖維素解構(gòu)成它們的組成小糖分子。另一種看待它的方式是，為了換取牛瘤胃中的住房，這些微生物通過有效地將牛不能利用的纖維轉(zhuǎn)化為小糖分子來支付租金，所述小糖分子用作發(fā)酵的基質(zhì)，成為為奶牛提供能量的最終產(chǎn)品。 。這項(xiàng)研究使JGI調(diào)查員和合作者能夠進(jìn)行挖掘，其規(guī)模比以往任何工作都高出數(shù)千倍，在先前未表征的瘤胃微生物的基因組中編碼的酶功能。這加深了我們對近30,000個基因的理解，這些基因產(chǎn)生的酶可能具有將生物質(zhì)降解為單糖的強(qiáng)大能力，這是纖維素生物燃料生產(chǎn)中必不可少的第一步。

“工業(yè)正在尋求更好的方法來分解生物質(zhì)，將其用作新一代可再生生物燃料的起始材料，”JGI主任和項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Eddy Rubin說。“與我們的合作者一起，我們正在研究牛中微生物用于分解植物材料的分子機(jī)器。”

在實(shí)驗(yàn)室中，只有約1%的地球微生物物種可以生長; 絕大多數(shù) - 在土壤，水和居住在其他較大的生命形式，如在奶牛 - 不能在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)。諸如此類的“宏基因組學(xué)”研究提供了另一種分析方法。

魯賓的博士后研究人員Matthias Hess和Alex Sczyrba使用了最有前景的大型生物能源作物之一 - 柳枝稷(Panicum virgatum)) - 讓位于前腸的奶牛的微生物共生體發(fā)揮其魔力。為了更好地控制這個過程，Hess和他在伊利諾伊大學(xué)的同事使用了瘺管牛模型，為了科學(xué)研究目的，它允許通過管道直接進(jìn)入前腸，這可以被認(rèn)為是氧氣發(fā)酵室。缺席。將柳枝稷樣品放入尼龍袋中，然后插入牛瘤胃中，在那里將它們消化，而不是將草直接喂給奶牛。72小時后，取出袋子，分離消化附著于柳枝稷的材料的微生物DNA，然后測序。

這項(xiàng)研究瘤胃微生物的數(shù)據(jù)量為2700億個DNA代碼，數(shù)量巨大; 比整個人類基因組中的字母數(shù)量大約多100倍。赫斯指出，生成數(shù)據(jù)并不是這個項(xiàng)目中最具挑戰(zhàn)性的部分。“真正的挑戰(zhàn)是分析大量沒有參考基因組的數(shù)據(jù)，并根據(jù)從數(shù)十億和數(shù)十億個短序列DNA序列中獲得的信息來鑒定和生產(chǎn)全尺寸功能酶，”他說。

為了分析信息，研究人員開發(fā)了一種基因組裝配策略，可以處理大量數(shù)據(jù)，同時確保避免可能導(dǎo)致嵌合體的錯誤組裝 - 微生物群落中不存在的人工基因。“想象一下，有人將數(shù)百個拼圖游戲與數(shù)百萬個拼圖混合成一堆，”Sczyrba說。“我們試圖將盡可能多的這些重新組合在一起，盡可能減少錯誤。這不是一個容易的問題。您需要一個好的策略和大量的計(jì)算資源來解決這個問題。

通過使用不同的過濾器，Sczyrba將超過200萬個預(yù)測基因的數(shù)量減少到27,755個候選基因，這些基因編碼一種特定類別的酶，稱為碳水化合物活性酶(CAZymes)，可以將植物多糖(例如纖維素)分解成小糖。赫斯確定了最有希望的候選者，測試了90個候選基因的功能子集，發(fā)現(xiàn)超過50%的受試候選人具有纖維素降解活性，近20%能夠打破“現(xiàn)實(shí)世界”的生物燃料作物柳枝稷。這使團(tuán)隊(duì)清楚地看到，所鑒定的30,000個基因的重要部分確實(shí)對植物材料具有活性，并且將成為生物燃料研究人員的新型酶的寶庫。

除了鑒定可能在木質(zhì)纖維素生物燃料的工業(yè)生產(chǎn)的未來過程中起主要作用的酶的基因之外，Hess和Sczyrba不僅要組裝基因，還要組裝從瘤胃中生物質(zhì)分解的生物體的整個基因組。使用各種計(jì)算解謎方法，他們能夠?yàn)榱鑫肝⑸锝?5個基因組，其中沒有一個與以前描述過的任何東西相匹配。

為了證實(shí)他們的計(jì)算結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向另一種檢查微生物基因組的方法，這種方法也不需要培養(yǎng)步驟：單細(xì)胞基因組學(xué)涉及研究單個未培養(yǎng)的微生物細(xì)胞的基因組。他們能夠使用細(xì)胞分選儀分離單個瘤胃微生物，并且不使其生長，他們使用單細(xì)胞測序技術(shù)產(chǎn)生了這種未培養(yǎng)的微生物的基因組。當(dāng)來自單個基因組的DNA序列被定位到15個計(jì)算組裝的基因組時，研究人員發(fā)現(xiàn)超過98%的數(shù)據(jù)與一個已在計(jì)算機(jī)上組裝的單個基因組相匹配。“單細(xì)胞數(shù)據(jù)讓我們相信我們看到的是真實(shí)的，”赫斯說。“否則我們只會得到計(jì)算數(shù)據(jù)，這會讓我們的工作變得更有說服力。”

這項(xiàng)由JGI及其合作者領(lǐng)導(dǎo)的開創(chuàng)性工作表明，通過大規(guī)模測序功能與大規(guī)模數(shù)據(jù)分析和計(jì)算能力以及最先進(jìn)的下一代單細(xì)胞基因組學(xué)相結(jié)合，研究人員現(xiàn)在可以探索大量的來自新微生物的纖維素降解酶與培養(yǎng)中培養(yǎng)它們的能力無關(guān)。因此，這可以減少迄今為止難以探索的“微生物暗物質(zhì)”的廣闊空間。此外，這里使用的方法可以很容易地?cái)U(kuò)展到搜索與其他DOE任務(wù)相關(guān)的其他微生物酶能力。

論文作者包括勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和DOE JGI的馮晨，Rob Egan，張濤，Susannah Tringe，Axel Visel，Len Pennacchio，Tanja Woyke和Zhong Wang。其他作者包括加州大學(xué)伯克利分校能源生物科學(xué)研究所的Tae-Wan Kim，Harshal Chokhawala和Douglas S. Clark; Illumina，Inc。的Gary Schroth和Shujun Luo; 伊利諾伊大學(xué)厄巴納分校能源生物科學(xué)研究所的Roderick I. Mackie。馬蒂亞斯赫斯現(xiàn)在是華盛頓州里奇蘭華盛頓州立大學(xué)三城市的助理教授。

美國能源部聯(lián)合基因組研究所在美國能源部科學(xué)辦公室的支持下，致力于推進(jìn)基因組學(xué)研究，以支持與清潔能源生產(chǎn)，環(huán)境特征描述和清理相關(guān)的DOE任務(wù)?？偛课挥诩永Ｄ醽喼軼alnut Creek的DOE JGI提供集成的高通量測序和計(jì)算分析，使基于系統(tǒng)的科學(xué)方法能夠應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。