雖然許多學(xué)生在游輪上度過(guò)了春假，但是Elaina Graham選擇了一種不同的離開(kāi)。沒(méi)有游泳池。沒(méi)有鋼鼓樂(lè)隊(duì)。沒(méi)有自助餐。相反，她跨越大西洋的長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月的航程充斥著細(xì)菌。

她從南非航行到波多黎各，加入了RV Atlantis號(hào)上的一群科學(xué)家，這是一艘最先進(jìn)的研究船。當(dāng)USC Dornsife研究生返回洛杉磯時(shí)，她帶回了重要的紀(jì)念品：來(lái)自海水樣本的細(xì)菌DNA序列數(shù)據(jù)。

今天，她與USC Dornsife的生物科學(xué)和環(huán)境研究副教授John Heidelberg以及博士后學(xué)者Ben Tully合作，培育從未通過(guò)宏基因組學(xué)發(fā)現(xiàn)的自然生物中發(fā)現(xiàn)的生物。

科學(xué)家正在使用一種直接從海水中取樣微生物DNA的技術(shù)來(lái)重建環(huán)境細(xì)菌的基因組序列。這些重組的基因組使他們能夠詢(xún)問(wèn)微生物在海洋中的作用以及它們?cè)诰S持海洋生態(tài)系統(tǒng)健康生化循環(huán)中所起的關(guān)鍵作用。

圍繞這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行創(chuàng)新

“在我們工作的海洋中，超過(guò)99%的單個(gè)細(xì)菌不會(huì)在實(shí)驗(yàn)室中生長(zhǎng)，”海德堡說(shuō)。“所以我們不能把大多數(shù)人認(rèn)為的第一步作為微生物學(xué)的起點(diǎn)，微生物學(xué)正在培養(yǎng)細(xì)胞。”

這就是宏基因組學(xué)的用武之地?？茖W(xué)家們從自然環(huán)境中的整個(gè)微生物群落中提取DNA序列信息，并大量匯編數(shù)據(jù)。“我們實(shí)驗(yàn)室的興趣一直在關(guān)注我們是否可以使用這些非常大的DNA數(shù)據(jù)集重建提供基因組信息的生物體，”塔利說(shuō)。

使用現(xiàn)有最大的海洋微生物數(shù)據(jù)集Tara Oceans探險(xiǎn)隊(duì)的數(shù)據(jù)，南加州大學(xué)的團(tuán)隊(duì)擁有一套巨大的微生物遺傳信息。想象一下，試圖通過(guò)將每篇維基百科文章中的所有單詞放入帽子，搖動(dòng)它并隨機(jī)挑選單詞來(lái)重新制作一篇維基百科文章。

在開(kāi)發(fā)宏基因組時(shí)，“單詞”是基因，它們形成的“句子”是基因序列?？茖W(xué)家試圖將數(shù)千個(gè)不同的句子串聯(lián)在一起，以重建一個(gè)非常具體的“維基百科文章” - 或一個(gè)活細(xì)菌的基因組。

有時(shí)通過(guò)該過(guò)程揭示的有機(jī)體尚未被科學(xué)界自然識(shí)別，包括USC Dornsife團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的數(shù)千種物種。據(jù)估計(jì)，在研究之前，已知海洋生物基因組的數(shù)量約為3,500?，F(xiàn)在有超過(guò)6000個(gè)。

“這就是宏基因組學(xué)領(lǐng)域不斷發(fā)展的原因。它讓我們了解生物學(xué)可能會(huì)發(fā)生什么，”海德堡說(shuō)。“而且它無(wú)法以任何其他方式完成。”

為發(fā)現(xiàn)而準(zhǔn)備

如果不是可以分析和排列數(shù)據(jù)的軟件，那么創(chuàng)建宏基因組是不切實(shí)際的。Tully和Graham對(duì)現(xiàn)有程序不滿(mǎn)意，他們合作開(kāi)發(fā)了一種名為“BinSanity”的開(kāi)源計(jì)算工具?？茖W(xué)家將數(shù)據(jù)集輸入系統(tǒng)，該系統(tǒng)識(shí)別與已知基因組序列一致的模式，并將這些模式組織成單獨(dú)的“箱”。與已知序列的細(xì)微差別可能表明新的生物體。

USC Dornsife團(tuán)隊(duì)對(duì)他們的一個(gè)特定發(fā)現(xiàn)特別感興趣。在海洋中，有許多生物進(jìn)行光合作用。還有一些叫做光養(yǎng)生物的生物也有能力使用光，但只能以更直接的方式獲取能量。直到最近，這些是兩個(gè)不同的群體。

當(dāng)他們通過(guò)BinSanity運(yùn)行數(shù)據(jù)時(shí)，Tully和Graham注意到基因組指示另一組細(xì)菌 - 一種既可以使用光作為能量又可以從海洋中獲取化合物來(lái)固定碳的細(xì)菌。雖然陸生植物和浮游植物之間很常見(jiàn)，但這種雙重活動(dòng)以前在海洋中未被發(fā)現(xiàn)。

“我們已經(jīng)能夠向科學(xué)界呈現(xiàn)這一新的生物群，它們似乎將這兩個(gè)先前無(wú)關(guān)的生物學(xué)領(lǐng)域聯(lián)系起來(lái)，”塔利說(shuō)。

格雷厄姆的研究巡航提供了一個(gè)進(jìn)一步鞏固這種聯(lián)系的獨(dú)特機(jī)會(huì)。使用從塔拉海洋探險(xiǎn)所涵蓋的相同區(qū)域采集的新樣本，該團(tuán)隊(duì)正在探索宏基因組序列，以找到這些微生物的更多證據(jù)，他們認(rèn)為這些微生物可以吸收某些硫化合物?？紤]到這一點(diǎn)，格雷厄姆正在使用硫基化學(xué)修正劑來(lái)試圖在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中促進(jìn)其生長(zhǎng)。

“當(dāng)我們進(jìn)行孵化并添加這些硫化合物時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致生物量的變化，”她說(shuō)。使用分子工具，他們可以確定生物量的增加是否是由于微生物的增加。

格雷厄姆說(shuō)：“這是一個(gè)好東西正在增長(zhǎng)的好跡象，因?yàn)槲沂褂玫拇蟛糠謼l件都非常具體，而且很多其他細(xì)菌都不會(huì)像那樣成長(zhǎng)。”

如果科學(xué)家能夠培養(yǎng)微生物在實(shí)驗(yàn)室中生長(zhǎng)，那么研究可以揭示海洋微生物學(xué)的新世界。