科學家利用新的微生物研究技術打擊了污垢

很久以前，在歐洲文藝復興時期，列奧納多達芬奇寫道，我們?nèi)祟?ldquo;更多地了解天體的運動而不是腳下的土壤。” 五百年后，無數(shù)的技術和科學進步，他的情緒仍然是正確的。

但這很快就會改變。

在自然通訊雜志發(fā)表的一份報告中，能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的一組科學家詳細介紹了首次成功使用一種名為BONCAT的技術來分離土壤樣品中存在的活性微生物 -使新的研究成為一股浪潮。

“土壤可能是地球上最多樣化的微生物群落，”該研究的第一作者Estelle Couradeau說。“在每一克土壤中，有成千上萬種物種的數(shù)十億細胞共同進行重要的地球營養(yǎng)循環(huán)。它們是陸地生態(tài)系統(tǒng)的支柱，健康的土壤微生物組是可持續(xù)農(nóng)業(yè)的關鍵。我們現(xiàn)在擁有看看這些物種是誰的工具，但我們還不知道他們是如何做的。這個概念驗證研究表明，BONCAT是一種有效的工具，可以用來將活性微生物與環(huán)境過程聯(lián)系起來。“

在過去的兩年里，Couradeau，她的合著者以及來自美國各地的許多其他研究人員一直在伯克利實驗室領導的科學重點領域進行合作，稱為ENIGMA(用于與基因和分子組裝相結合的生態(tài)系統(tǒng)和網(wǎng)絡)，以便深入研究土壤微生物組的內(nèi)部運作。ENIGMA的項目是生物學家和能源以及地球科學家的首要任務，不僅因為它們有助于填補我們對環(huán)境如何運作的認識空白，而且因為這些基本見解可以幫助應用科學家更有效地利用微生物組來改善作物的抗旱性，從環(huán)境中去除污染物，并可持續(xù)生產(chǎn)燃料和其他生物產(chǎn)品。

然而，因為大多數(shù)土壤微生物不會在實驗室的培養(yǎng)物中生長，并且由于它們在自然棲息地中真正令人難以置信的豐富，所以研究哪種微生物物種做了非常困難的事情。“測量微生物活動和相互作用存在許多障礙，”ENIGMA的主要作者兼生物技術主管Trent Northen說。“例如，在地表水庫以下數(shù)百英尺處發(fā)現(xiàn)了從地下水庫中清除廢物的土壤微生物組。在某些生態(tài)系統(tǒng)中，高達95%的微生物在任何特定時間都處于非活動狀態(tài)。”

由于直接觀察不在考慮范圍內(nèi)，微生物學家通常會收集環(huán)境樣本，并依靠間接方法(如DNA測序)來表征社區(qū)。然而，大多數(shù)常用技術無法區(qū)分活躍的微生物與休眠的微生物或土壤和沉積物中發(fā)現(xiàn)的大量自由漂浮的DNA。

BONCAT是Bioorthogonal Non-Canonical Amino Acid Tagging的縮寫，是加州理工學院的遺傳學家于2006年發(fā)明的，用于分離細胞中新制造的蛋白質(zhì)。2014年，美國能源部(DOE)聯(lián)合基因組研究所(JGI)的Rex Malmstrom，Danielle Goudeau和其他人，由伯克利實驗室管理的科學辦公室用戶設施，與加州理工學院的Victoria Orphan實驗室合作，使BONCAT適應這種工具可以識別海洋沉積物中數(shù)十到數(shù)百種海洋微生物的活躍共生星團。在進一步改進他們的方法，稱為BONCAT熒光激活細胞分選(BONCAT + FACS)后，他們能夠檢測個體活性微生物。

顧名思義，BONCAT + FACS允許科學家根據(jù)熒光標記分子的存在與否對單細胞生物進行分類，熒光標記分子與氨基酸蛋氨酸的修飾形式結合。當含有修飾的甲硫氨酸的液體被引入微生物樣品時，只有那些產(chǎn)生新蛋白質(zhì)的活性標志 - 將修飾的甲硫氨酸摻入細胞中。

除了比以前的微生物鑒定方法更加簡化和可靠之外，整個過程只需幾個小時 - 這意味著它可以標記活性細胞，即使它們不復制。

鑒于一些土壤微生物出了名的緩慢增長，許多科學家立即對將BONCAT + FACS應用于陸地土壤感興趣。經(jīng)過三個月的實驗和優(yōu)化，ENIGMA和JGI研究人員團隊設計了一個平穩(wěn)運行的協(xié)議，最重要的是，它提供了非?？芍貜偷慕Y果。

“BONCAT + FACS是一種功能強大的工具，可以提供更精確的方法來確定在任何特定時間哪些微生物在社區(qū)中活躍，”Malmstrom說，他也是當前研究的作者。“它還為我們打開了大門，讓我們進行實驗，評估哪些細胞在條件A下活躍，哪些細胞在切換到條件B時變?yōu)榛顒踊蚍腔顒訝顟B(tài)。”

展望未來，BONCAT + FACS將成為希望通過JGI用戶計劃進行協(xié)作的研究人員可以使用的功能。Northen和Malmstrom已經(jīng)收到了渴望開始使用該工具的研究小組的一些提案，其中包括來自伯克利實驗室的小組，他們希望使用BONCAT評估環(huán)境變化如何刺激微生物群。“通過BONCAT，我們將能夠立即獲得微生物組如何對正常的棲息地波動和極端氣候事件(如干旱和洪水)做出反應的快照，這些事件變得越來越頻繁，”Northen說。

根據(jù)Couradeau的說法，研究小組預計這種方法將催生其他一些重要而有趣的研究方向，例如改善農(nóng)業(yè)用地實踐，評估不可培養(yǎng)微生物的抗生素敏感性，以及研究Candidatus Dormibacteraeota(一種土壤門)的完全未知的作用在世界各地發(fā)現(xiàn)的細菌似乎大部分時間都處于休眠狀態(tài)。

反映他和他的同事如何實現(xiàn)許多人一直追求的目標，Malmstrom引用了ENIGMA和JGI內(nèi)部科學家的多樣性。“這是團隊科學的一個真實例子，因為沒有一個人擁有或?qū)碛型瓿蛇@一切的專業(yè)知識。”