PNAS：揭秘微生物暗物質的強大工具

日期：2016-06-30 09:23:38

微生物幾乎是無所不在的，它們對生態環境和人體健康起到了不容忽視的作用。然而人們對微生物的了解還相當匱乏，因為許多微生物是無法在實驗室中培養的。科學家們想了很多方法來探索這些“微生物暗物質”，但還不能同時鑒定微生物的身份和活性。

現在，加州理工（Caltech）和美國能源部聯合基因組研究所（DOE JGI）的研究人員成功開發了這樣的分析技術。這一重要研究成果于六月二十八日發表在美國國家科學院院刊PNAS雜志上。

“探索微生物暗物質目前最大的一個問題是，鑒定微生物的代謝活性及其在整個體系中承擔的功能相當麻煩。傳統方法雖然特異性好靈敏度高，但研究過程特別繁瑣，實驗成本也比較高，”文章第一作者，Caltech的Roland Hatzenpichler博士說。“因此，我們需要通量更高、成本更低的分析方法。BONCAT就是這樣一種新技術。”

BONCAT：探索微生物組的高通量技術

BONCAT（BioOrthogonal Non-Canonical Amino acid Tagging）是原本是用于生物工程研究的。Hatzenpichler及其同事對這個技術稍加改動，把它應用到了微生物領域。BONCAT主要是用人工合成的氨基酸標記正在生產蛋白的細胞。對這些氨基酸進行熒光染色，就可以在群體中看到活躍細胞。

研究人員從美國沿海的甲烷滲漏區收集沉積物樣本。這些樣本含有在一起共生的甲烷氧化菌ANME和硫酸鹽還原菌SRB，它們能去除海洋沉積物釋放的大部分甲烷（約80%）。研究人員建立了一系列模擬條件，對這些樣本進行培養，跟蹤甲烷代謝菌的緩慢生長。他們將BONCAT與FISH結合起來，在不同條件下鑒定活躍的微生物。“一般來說，甲烷滲漏區生活著甲烷氧化菌的不同群體，”Hatzenpichler解釋道。“過去人們一直認為，不同甲烷氧化菌的活躍時間存在差異。我們通過BONCAT分析發現，甲烷氧化菌在培養過程中是共同起作用的。”

當BONCAT遇上流式細胞術

研究人員還將BONCAT與流式細胞技術結合起來，分選在特定條件下活躍的微生物細胞。他們對分選出來的微生物細胞進行全基因組擴增，隨后測序16S rRNA標志基因，由此鑒定其中的微生物。研究人員正在對這些樣本進行全基因組測序，希望從中獲得更多的實用信息。

BONCAT-FACS的結果表明，甲烷氧化菌不僅與硫酸鹽還原菌相互作用，有時還與疣微菌門的成員產生關聯。這說明甲烷氧化菌的共生關系比人們想象的更為廣泛。這些互作關系是否對雙方都有利，還有待于進一步研究。

宏基因組學是了解微生物暗物質的重要途徑。Nature Methods雜志發布了一個名為TruSPADES的強大工具，可以大大提升研究者們測序宏基因組的能力。這種算法能將Illumina測序儀生成的300bp短讀取，合并成大約1萬bp的基因組片段（Synthetic Long Reads）。如果說用短讀取相當于語句，那么長片段就是整章文字。顯而易見，把整章文字還原成一本書要容易得多。

人類消化道中居住著大量的微生物，它們被統稱為腸道微生物組。腸道微生物組在人類代謝食物、抵御感染和應答藥物等過程中起到了重要的作用。許多人類疾病都與微生物組失衡有關?？茖W家們發現，對微生物組用藥可以治療心臟病。研究顯示，地中海式飲食通過改變腸道菌的活性來發揮健康效應。膳食補充一種在紅酒和橄欖油中含量豐富的天然化合物，可以防止小鼠腸道菌將不健康食品轉化為堵塞動脈的代謝副產品。研究人員在此基礎上開發了首個干涉腸道菌代謝活性的藥物，這種藥物有望治療人類的心臟病。

自閉癥又稱孤獨癥，是一種發育障礙類疾病，可導致嚴重的社交行為變化，主要表現為社交障礙、溝通困難、重復和刻板行為以及言語發育遲緩。Baylor醫學院的研究人員最近在Cell雜志上發表文章指出，缺乏一種腸道菌會使小鼠出現與自閉癥譜系障礙（ASD）類似的社交障礙。給缺陷小鼠腸道補充這種腸道菌，可以逆轉它們的一些行為缺陷。