科學(xué)家利用新的微生物研究技術(shù)打擊了污垢

很久以前，在歐洲文藝復(fù)興時(shí)期，列奧納多達(dá)芬奇寫道，我們?nèi)祟?ldquo;更多地了解天體的運(yùn)動(dòng)而不是腳下的土壤。” 五百年后，無數(shù)的技術(shù)和科學(xué)進(jìn)步，他的情緒仍然是正確的。

但這很快就會(huì)改變。

在自然通訊雜志發(fā)表的一份報(bào)告中，能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)的一組科學(xué)家詳細(xì)介紹了首次成功使用一種名為BONCAT的技術(shù)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(xì)胞共同進(jìn)行重要的地球營(yíng)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(guān)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(gè)概念驗(yàn)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(guó)各地的許多其他研究人員一直在伯克利實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)重點(diǎn)領(lǐng)域進(jìn)行合作，稱為ENIGMA(用于與基因和分子組裝相結(jié)合的生態(tài)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò))，以便深入研究土壤微生物組的內(nèi)部運(yùn)作。ENIGMA的項(xiàng)目是生物學(xué)家和能源以及地球科學(xué)家的首要任務(wù)，不僅因?yàn)樗鼈冇兄谔钛a(bǔ)我們對(duì)環(huán)境如何運(yùn)作的認(rèn)識(shí)空白，而且因?yàn)檫@些基本見解可以幫助應(yīng)用科學(xué)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?yàn)榇蠖鄶?shù)土壤微生物不會(huì)在實(shí)驗(yàn)室的培養(yǎng)物中生長(zhǎng)，并且由于它們?cè)谧匀粭⒌刂姓嬲钊穗y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(cè)量微生物活動(dòng)和相互作用存在許多障礙，”ENIGMA的主要作者兼生物技術(shù)主管Trent Northen說。“例如，在地表水庫(kù)以下數(shù)百英尺處發(fā)現(xiàn)了從地下水庫(kù)中清除廢物的土壤微生物組。在某些生態(tài)系統(tǒng)中，高達(dá)95%的微生物在任何特定時(shí)間都處于非活動(dòng)狀態(tài)。”

由于直接觀察不在考慮范圍內(nèi)，微生物學(xué)家通常會(huì)收集環(huán)境樣本，并依靠間接方法(如DNA測(cè)序)來表征社區(qū)。然而，大多數(shù)常用技術(shù)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(xué)院的遺傳學(xué)家于2006年發(fā)明的，用于分離細(xì)胞中新制造的蛋白質(zhì)。2014年，美國(guó)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(shí)驗(yàn)室管理的科學(xué)辦公室用戶設(shè)施，與加州理工學(xué)院的Victoria Orphan實(shí)驗(yàn)室合作，使BONCAT適應(yīng)這種工具可以識(shí)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(tuán)。在進(jìn)一步改進(jìn)他們的方法，稱為BONCAT熒光激活細(xì)胞分選(BONCAT + FACS)后，他們能夠檢測(cè)個(gè)體活性微生物。

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

除了比以前的微生物鑒定方法更加簡(jiǎn)化和可靠之外，整個(gè)過程只需幾個(gè)小時(shí) - 這意味著它可以標(biāo)記活性細(xì)胞，即使它們不復(fù)制。

鑒于一些土壤微生物出了名的緩慢增長(zhǎng)，許多科學(xué)家立即對(duì)將BONCAT + FACS應(yīng)用于陸地土壤感興趣。經(jīng)過三個(gè)月的實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化，ENIGMA和JGI研究人員團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)平穩(wěn)運(yùn)行的協(xié)議，最重要的是，它提供了非?？芍貜?fù)的結(jié)果。

“BONCAT + FACS是一種功能強(qiáng)大的工具，可以提供更精確的方法來確定在任何特定時(shí)間哪些微生物在社區(qū)中活躍，”Malmstrom說，他也是當(dāng)前研究的作者。“它還為我們打開了大門，讓我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，評(píng)估哪些細(xì)胞在條件A下活躍，哪些細(xì)胞在切換到條件B時(shí)變?yōu)榛顒?dòng)或非活動(dòng)狀態(tài)。”

展望未來，BONCAT + FACS將成為希望通過JGI用戶計(jì)劃進(jìn)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(shí)驗(yàn)室的小組，他們希望使用BONCAT評(píng)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(duì)正常的棲息地波動(dòng)和極端氣候事件(如干旱和洪水)做出反應(yīng)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(yù)計(jì)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(shí)踐，評(píng)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(xì)菌似乎大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài)。

反映他和他的同事如何實(shí)現(xiàn)許多人一直追求的目標(biāo)，Malmstrom引用了ENIGMA和JGI內(nèi)部科學(xué)家的多樣性。“這是團(tuán)隊(duì)科學(xué)的一個(gè)真實(shí)例子，因?yàn)闆]有一個(gè)人擁有或?qū)?huì)擁有完成這一切的專業(yè)知識(shí)。”