研究人员使用宏基因组学来发现数千种新的海洋微生物

虽然许多学生在游轮上度过了春假，但是Elaina Graham选择了一种不同的离开。没有游泳池。没有钢鼓乐队。没有自助餐。相反，她跨越大西洋的长达一个月的航程充斥着细菌。

她从南非航行到波多黎各，加入了RV Atlantis号上的一群科学家，这是一艘最先进的研究船。当USC Dornsife研究生返回洛杉矶时，她带回了重要的纪念品：来自海水样本的细菌DNA序列数据。

今天，她与USC Dornsife的生物科学和环境研究副教授John Heidelberg以及博士后学者Ben Tully合作，培育从未通过宏基因组学发现的自然生物中发现的生物。

科学家正在使用一种直接从海水中取样微生物DNA的技术来重建环境细菌的基因组序列。这些重组的基因组使他们能够询问微生物在海洋中的作用以及它们在维持海洋生态系统健康生化循环中所起的关键作用。

围绕这个问题进行创新

“在我们工作的海洋中，超过99%的单个细菌不会在实验室中生长，”海德堡说。“所以我们不能把大多数人认为的第一步作为微生物学的起点，微生物学正在培养细胞。”

这就是宏基因组学的用武之地。科学家们从自然环境中的整个微生物群落中提取DNA序列信息，并大量汇编数据。“我们实验室的兴趣一直在关注我们是否可以使用这些非常大的DNA数据集重建提供基因组信息的生物体，”塔利说。

使用现有最大的海洋微生物数据集Tara Oceans探险队的数据，南加州大学的团队拥有一套巨大的微生物遗传信息。想象一下，试图通过将每篇维基百科文章中的所有单词放入帽子，摇动它并随机挑选单词来重新制作一篇维基百科文章。

在开发宏基因组时，“单词”是基因，它们形成的“句子”是基因序列。科学家试图将数千个不同的句子串联在一起，以重建一个非常具体的“维基百科文章” - 或一个活细菌的基因组。

有时通过该过程揭示的有机体尚未被科学界自然识别，包括USC Dornsife团队发现的数千种物种。据估计，在研究之前，已知海洋生物基因组的数量约为3,500。现在有超过6000个。

“这就是宏基因组学领域不断发展的原因。它让我们了解生物学可能会发生什么，”海德堡说。“而且它无法以任何其他方式完成。”

为发现而准备

如果不是可以分析和排列数据的软件，那么创建宏基因组是不切实际的。Tully和Graham对现有程序不满意，他们合作开发了一种名为“BinSanity”的开源计算工具。科学家将数据集输入系统，该系统识别与已知基因组序列一致的模式，并将这些模式组织成单独的“箱”。与已知序列的细微差别可能表明新的生物体。

USC Dornsife团队对他们的一个特定发现特别感兴趣。在海洋中，有许多生物进行光合作用。还有一些叫做光养生物的生物也有能力使用光，但只能以更直接的方式获取能量。直到最近，这些是两个不同的群体。

当他们通过BinSanity运行数据时，Tully和Graham注意到基因组指示另一组细菌 - 一种既可以使用光作为能量又可以从海洋中获取化合物来固定碳的细菌。虽然陆生植物和浮游植物之间很常见，但这种双重活动以前在海洋中未被发现。

“我们已经能够向科学界呈现这一新的生物群，它们似乎将这两个先前无关的生物学领域联系起来，”塔利说。

格雷厄姆的研究巡航提供了一个进一步巩固这种联系的独特机会。使用从塔拉海洋探险所涵盖的相同区域采集的新样本，该团队正在探索宏基因组序列，以找到这些微生物的更多证据，他们认为这些微生物可以吸收某些硫化合物。考虑到这一点，格雷厄姆正在使用硫基化学修正剂来试图在实验室环境中促进其生长。

“当我们进行孵化并添加这些硫化合物时，它会导致生物量的变化，”她说。使用分子工具，他们可以确定生物量的增加是否是由于微生物的增加。

格雷厄姆说：“这是一个好东西正在增长的好迹象，因为我使用的大部分条件都非常具体，而且很多其他细菌都不会像那样成长。”

如果科学家能够培养微生物在实验室中生长，那么研究可以揭示海洋微生物学的新世界。

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