少數(shù)土壤中的微生物數(shù)量超過銀河系中的恒星數(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)的科學家，DOE科學用戶設(shè)施辦公室，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)布的單一最大版本。

“細菌和古細菌是地球上自由生物生物多樣性最多的一種，”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)地球生物地球化學循環(huán)方面發(fā)揮著重要作用 - 例如，在地球和海洋環(huán)境中管理養(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，農(nóng)業(yè)和環(huán)境科學領(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計算生物學家Supratim Mukherjee和該論文的共同第一作者說。 。

由于微生物基因組學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)的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)新的功能，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。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)均符合基因組學標準聯(lián)盟，可通過基因組在線數(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界，根據(jù)美國能源部JGI的即時數(shù)據(jù)發(fā)布實踐，共同作者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的研究團隊對從培養(yǎng)物庫中可以獲得的菌株進行測序，科學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對于完成這項工作至關(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 - 例如產(chǎn)生化膿性鏈球菌的物種，它產(chǎn)生的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

加州大學戴維斯分校的微生物學家Jonathan Eisen在2007年與Kyrpides和Phil Hugenholtz以及萊布尼茲研究所DSMZ的Hans-Peter Klenk一起在美國能源部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，如果你去某個地方找到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輸入而被淹沒時，來自類型菌株的基因組作為寶貴的分類學標志的重要性不容小覷。”