科学家利用新的微生物研究技术打击了污垢

很久以前，在欧洲文艺复兴时期，列奥纳多达芬奇写道，我们人类“更多地了解天体的运动而不是脚下的土壤。”五百年后，无数的技术和科学进步，他的情绪仍然是正确的。

但这很快就会改变。

在自然通讯杂志发表的一份报告中，来自能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的一组科学家详细介绍了首次成功使用一种名为BONCAT的技术来分离土壤样品中存在的活性微生物 - 这是一项成就可能会引发一场新研究的浪潮。

“土壤可能是地球上最多样化的微生物群落，”该研究的第一作者Estelle Couradeau说。“在每一克土壤中，有成千上万种物种的数十亿细胞共同进行重要的地球营养循环。它们是陆地生态系统的支柱，健康的土壤微生物组是可持续农业的关键。我们现在拥有看看这些物种是谁的工具，但我们还不知道他们是如何做的。这个概念验证研究表明，BONCAT是一种有效的工具，可以用来将活性微生物与环境过程联系起来。“

在过去的两年里，Couradeau，她的合着者以及来自美国各地的许多其他研究人员一直在伯克利实验室领导的科学重点领域进行合作，称为ENIGMA(用于与基因和分子组装相结合的生态系统和网络)，以便深入研究土壤微生物组的内部运作。ENIGMA的项目是生物学家和能源以及地球科学家的首要任务，不仅因为它们有助于填补我们对环境如何运作的认识空白，而且因为这些基本见解可以帮助应用科学家更有效地利用微生物组来改善作物的抗旱性，从环境中去除污染物，并可持续生产燃料和其他生物产品。

然而，因为大多数土壤微生物不会在实验室的培养物中生长，并且由于它们在自然栖息地中真正令人难以置信的丰富，所以研究哪种微生物物种做了非常困难的事情。“测量微生物活动和相互作用存在许多障碍，”ENIGMA的主要作者兼生物技术主管Trent Northen说。“例如，在地表水库以下数百英尺处发现了从地下水库中清除废物的土壤微生物组。在某些生态系统中，高达95%的微生物在任何特定时间都处于非活动状态。”

由于直接观察不在考虑范围内，微生物学家通常会收集环境样本，并依靠间接方法(如DNA测序)来表征社区。然而，大多数常用技术无法区分活跃的微生物与休眠的微生物或土壤和沉积物中发现的大量自由漂浮的DNA。

BONCAT是Bioorthogonal Non-Canonical Amino Acid Tagging的缩写，是加州理工学院的遗传学家于2006年发明的，用于分离细胞中新制造的蛋白质。2014年，美国能源部(DOE)联合基因组研究所(JGI)的Rex Malmstrom，Danielle Goudeau和其他人，由伯克利实验室管理的科学办公室用户设施，与加州理工学院的Victoria Orphan实验室合作，使BONCAT适应这种工具可以识别海洋沉积物中数十到数百种海洋微生物的活跃共生星团。在进一步改进他们的方法，称为BONCAT荧光激活细胞分选(BONCAT + FACS)后，他们能够检测个体活性微生物。

顾名思义，BONCAT + FACS允许科学家根据荧光标记分子的存在与否对单细胞生物进行分类，荧光标记分子与氨基酸蛋氨酸的修饰形式结合。当含有修饰的蛋氨酸的液体被引入微生物样品时，只有那些产生新蛋白质 - 活性标志 - 才会将修饰的蛋氨酸掺入细胞中。

除了比以前的微生物鉴定方法更加简化和可靠之外，整个过程只需要几个小时 - 这意味着它可以标记活性细胞，即使它们不复制。

鉴于一些土壤微生物出了名的缓慢增长，许多科学家立即对将BONCAT + FACS应用于陆地土壤感兴趣。经过三个月的实验和优化，ENIGMA和JGI研究人员团队设计了一个平稳运行的协议，最重要的是，它提供了非常可重复的结果。

“BONCAT + FACS是一种功能强大的工具，可以提供更精确的方法来确定在任何特定时间哪些微生物在社区中活跃，”Malmstrom说，他也是当前研究的作者。“它还为我们打开了大门，让我们进行实验，评估哪些细胞在条件A下活跃，哪些细胞在切换到条件B时变为活动或非活动状态。”

展望未来，BONCAT + FACS将成为希望通过JGI用户计划进行协作的研究人员可以使用的功能。Northen和Malmstrom已经收到了渴望开始使用该工具的研究小组的一些提案，其中包括来自伯克利实验室的小组，他们希望使用BONCAT评估环境变化如何刺激微生物群。“通过BONCAT，我们将能够立即获得微生物组如何对正常的栖息地波动和极端气候事件(如干旱和洪水)做出反应的快照，这些事件变得越来越频繁，”Northen说。

根据Couradeau的说法，研究小组预计这种方法将催生其他一些重要而有趣的研究方向，例如改善农业用地实践，评估不可培养微生物的抗生素敏感性，以及调查Candidatus Dormibacteraeota(一种门的真菌)的完全未知的作用。在世界各地发现的土壤细菌，大部分时间似乎都处于休眠状态。

反映他和他的同事如何实现许多人一直追求的目标，Malmstrom引用了ENIGMA和JGI内部科学家的多样性。“这是团队科学的一个真实例子，因为没有一个人拥有或将会拥有完成这一切的专业知识。”

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