少數(shù)土壤中的微生物數(shù)量超過(guò)銀河系中的恒星數(shù)量，但研究人員對(duì)地球上的數(shù)據(jù)知之甚少，因?yàn)樗麄冏罱庞猩钊胩剿鞯叵碌墓ぞ摺，F(xiàn)在美國(guó)能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)的科學(xué)家，DOE科學(xué)用戶(hù)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(xiàn)發(fā)表于Nature Biotechnology的論文中，DOE JGI的Prokaryotic Super Program負(fù)責(zé)人Nikos Kyrpides和他的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了1,003種系統(tǒng)發(fā)育上不同的細(xì)菌和古細(xì)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(xì)菌和古細(xì)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(jí)作者Kyrpides說(shuō)。“他們已經(jīng)征服了地球上的每一個(gè)環(huán)境，因此他們找到了在不同酶和不同生物化學(xué)條件下最?lèi)毫訔l件下生存的方法。”

美國(guó)能源部有興趣更多地了解這種生物多樣性，因?yàn)槲⑸镌谡{(diào)節(jié)地球生物地球化學(xué)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(guò)程。通過(guò)基因組測(cè)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(xué)，農(nóng)業(yè)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

新功能，新應(yīng)用

這項(xiàng)工作是DOE JGI的細(xì)菌和古細(xì)菌基因組百科全書(shū)(GEBA)計(jì)劃的一部分，該計(jì)劃旨在對(duì)數(shù)千種細(xì)菌和古細(xì)菌基因組進(jìn)行測(cè)序，以填補(bǔ)未開(kāi)發(fā)的生命樹(shù)枝。“除了鑒定超過(guò)50萬(wàn)個(gè)新的蛋白質(zhì)家族外，這項(xiàng)努力還使所有類(lèi)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(jì)算生物學(xué)家Supratim Mukherjee和該論文的共同第一作者說(shuō)。 。

由于微生物基因組學(xué)研究的很大一部分主要集中在人類(lèi)病原體或生物技術(shù)工作馬上，因此GEBA是全球試圖通過(guò)對(duì)多種培養(yǎng)的但表征不佳的微生物菌株進(jìn)行測(cè)序來(lái)解決系統(tǒng)發(fā)育覆蓋知識(shí)差距的主要工作。“人們認(rèn)識(shí)到我們沒(méi)有對(duì)生命樹(shù)的許多部分進(jìn)行抽樣，”美國(guó)能源部JGI計(jì)算生物學(xué)家，該論文的共同第一作者Rekha Seshadri說(shuō)。“如果我們對(duì)樹(shù)的某些部分進(jìn)行采樣，我們就會(huì)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(jià)值的結(jié)晶，2009年發(fā)布了56個(gè)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(guò)社區(qū)科學(xué)計(jì)劃在DOE JGI進(jìn)行基因組測(cè)序和分析，通過(guò)具有微生物組(IMG / M)系統(tǒng)的綜合微生物基因組公開(kāi)獲得1,003個(gè)基因組，所有相關(guān)元數(shù)據(jù)均符合基因組學(xué)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，可通過(guò)基因組在線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。事實(shí)上，所有這些基因組在測(cè)序后立即公開(kāi)發(fā)布，以最大限度地利用更大的科學(xué)界，根據(jù)美國(guó)能源部JGI的即時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)布實(shí)踐，共同作者Tanja Woyke說(shuō)，

隨著1,003個(gè)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(duì)于對(duì)生物技術(shù)相關(guān)的次級(jí)代謝物特征化或研究在特定條件下工作的酶等實(shí)驗(yàn)感興趣的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這些序列非常寶貴，Seshadri說(shuō)。她補(bǔ)充說(shuō)，由于Kyrpides的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)從培養(yǎng)物庫(kù)中可以獲得的菌株進(jìn)行測(cè)序，科學(xué)家們可以在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)它們進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。“與德國(guó)萊布尼茨研究所DSMZ和美國(guó)ATCC全球生物資源中心等文化收集中心的合作對(duì)于完成這項(xiàng)工作至關(guān)重要，”Kyrpides說(shuō)。

雖然很明顯，細(xì)菌可以啟動(dòng)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(xué)家們才剛剛開(kāi)始揭示隱藏的潛力存在于細(xì)菌和古細(xì)菌門(mén)的廣泛遺傳多樣性中。

錨定數(shù)據(jù)的參考框架

加州大學(xué)戴維斯分校的微生物學(xué)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(guó)能源部JGI開(kāi)展了GEBA項(xiàng)目，他認(rèn)為該論文強(qiáng)化了在選擇微生物進(jìn)行測(cè)序時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)育多樣性是比隨機(jī)選擇更有用的方法。

他說(shuō)填寫(xiě)生命之樹(shù)將為研究人員提供一個(gè)參考框架，用以了解他們自己的結(jié)果。“這對(duì)于解釋環(huán)境數(shù)據(jù)非常有幫助。例如，如果你去某個(gè)地方找到化石床并找到大量的骨頭，但如果以前沒(méi)有人曾經(jīng)組裝過(guò)骷髏，那就沒(méi)用了，”艾森說(shuō)。“但是用一個(gè)組裝的骨架作為參考，”你可以說(shuō)'這看起來(lái)像一個(gè)哺乳動(dòng)物'。宏基因組數(shù)據(jù)也是如此 - 如果您從[生命]樹(shù)中獲得參考基因組，您可以更準(zhǔn)確地錨定環(huán)境數(shù)據(jù)。“

Kyrpides說(shuō)：“當(dāng)我們目睹公共數(shù)據(jù)庫(kù)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(méi)時(shí)，來(lái)自類(lèi)型菌株的基因組作為寶貴的分類(lèi)學(xué)標(biāo)志的重要性不容小覷。”