PNAS：揭秘微生物暗物质的强大工具

　　微生物几乎是无所不在的，它们对生态环境和人体健康起到了不容忽视的作用。然而人们对微生物的了解还相当匮乏，因为许多微生物是无法在实验室中培养的。科学家们想了很多方法来探索这些“微生物暗物质”，但还不能同时鉴定微生物的身份和活性。

　　现在，加州理工（Caltech）和美国能源部联合基因组研究所（DOE JGI）的研究人员成功开发了这样的分析技术。这一重要研究成果于六月二十八日发表在美国国家科学院院刊PNAS杂志上。

　　“探索微生物暗物质目前最大的一个问题是，鉴定微生物的代谢活性及其在整个体系中承担的功能相当麻烦。传统方法虽然特异性好灵敏度高，但研究过程特别繁琐，实验成本也比较高，”文章第一作者，Caltech的Roland Hatzenpichler博士说。“因此，我们需要通量更高、成本更低的分析方法。BONCAT就是这样一种新技术。”

　　BONCAT：探索微生物组的高通量技术

　　BONCAT（BioOrthogonal Non-Canonical Amino acid Tagging）是原本是用于生物工程研究的。Hatzenpichler及其同事对这个技术稍加改动，把它应用到了微生物领域。BONCAT主要是用人工合成的氨基酸标记正在生产蛋白的细胞。对这些氨基酸进行荧光染色，就可以在群体中看到活跃细胞。

　　研究人员从美国沿海的甲烷渗漏区收集沉积物样本。这些样本含有在一起共生的甲烷氧化菌ANME和硫酸盐还原菌SRB，它们能去除海洋沉积物释放的大部分甲烷（约80%）。研究人员建立了一系列模拟条件，对这些样本进行培养，跟踪甲烷代谢菌的缓慢生长。他们将BONCAT与FISH结合起来，在不同条件下鉴定活跃的微生物。“一般来说，甲烷渗漏区生活着甲烷氧化菌的不同群体，”Hatzenpichler解释道。“过去人们一直认为，不同甲烷氧化菌的活跃时间存在差异。我们通过BONCAT分析发现，甲烷氧化菌在培养过程中是共同起作用的。”

　　当BONCAT遇上流式细胞术

　　研究人员还将BONCAT与流式细胞技术结合起来，分选在特定条件下活跃的微生物细胞。他们对分选出来的微生物细胞进行全基因组扩增，随后测序16S rRNA标志基因，由此鉴定其中的微生物。研究人员正在对这些样本进行全基因组测序，希望从中获得更多的实用信息。

　　BONCAT-FACS的结果表明，甲烷氧化菌不仅与硫酸盐还原菌相互作用，有时还与疣微菌门的成员产生关联。这说明甲烷氧化菌的共生关系比人们想象的更为广泛。这些互作关系是否对双方都有利，还有待于进一步研究。

　　宏基因组学是了解微生物暗物质的重要途径。Nature Methods杂志发布了一个名为TruSPADES的强大工具，可以大大提升研究者们测序宏基因组的能力。这种算法能将Illumina测序仪生成的300bp短读取，合并成大约1万bp的基因组片段（Synthetic Long Reads）。如果说用短读取相当于语句，那么长片段就是整章文字。显而易见，把整章文字还原成一本书要容易得多。（更多信息请参见：Nature Methods发布宏基因组测序新工具）

　　人类消化道中居住着大量的微生物，它们被统称为肠道微生物组。肠道微生物组在人类代谢食物、抵御感染和应答药物等过程中起到了重要的作用。许多人类疾病都与微生物组失衡有关。科学家们发现，对微生物组用药可以治疗心脏病。研究显示，地中海式饮食通过改变肠道菌的活性来发挥健康效应。膳食补充一种在红酒和橄榄油中含量丰富的天然化合物，可以防止小鼠肠道菌将不健康食品转化为堵塞动脉的代谢副产品。研究人员在此基础上开发了首个干涉肠道菌代谢活性的药物，这种药物有望治疗人类的心脏病。（更多详细信息参见：Cell重磅成果：从微生物组治疗心血管疾病）

　　自闭症又称孤独症，是一种发育障碍类疾病，可导致严重的社交行为变化，主要表现为社交障碍、沟通困难、重复和刻板行为以及言语发育迟缓。Baylor医学院的研究人员最近在Cell杂志上发表文章指出，缺乏一种肠道菌会使小鼠出现与自闭症谱系障碍（ASD）类似的社交障碍。给缺陷小鼠肠道补充这种肠道菌，可以逆转它们的一些行为缺陷。