Nature突破性成果：解析古老的单细胞基因组

　　

生物通报道  单细胞的古细菌用肉眼根本看不到，甚至在使用显微镜时，也必须特别用心才能观察到它们。近日由丹麦奥尔胡斯大学地质微生物学中心领导的一个国际研究人员小组，却成功地从海底淤泥中获得了四个古细菌细胞，并绘制出了每个细胞的基因组图谱。这一突破性研究成果发表在著名的《自然》（Nature）杂志上。

“直到现在，也没有人知道这些广泛居住在泥浆中的古细菌事实上是如何生存的。绘制出四个古细菌细胞的基因组，显示它们都具有一些基因，使得它们能够依靠蛋白质降解存活，”论文的主要作者、田纳西大学Karen Lloyd教授说。

科学家们从前认为，在海洋中只有细菌才分解蛋白质，现在证实古细菌是海底蛋白质降解的重要的新生物。蛋白质实际上构成了海底大部分的有机物质，由于海底具有世界上最大的有机碳沉积区，古细菌因而似乎在全球碳循环中发挥了从前未知的重要作用。

就像海滩上的一粒沙子

古细菌是世界上最丰富的一些生物，但很少有人听说过它们。它们最初被发现于如温泉等极端环境，和牛胃、稻田等其他特殊环境中，在那里它们形成沼气。近年来，研究人员已经认识到，古细菌构成了海底微生物学的很大一部分，海底也是世界上大多数微生物的栖息地。

“现实估计，古细菌是世界上拥有最多个体的生物群。事实上，古细菌要多过全世界海滩上的沙粒。如果你把你的脚趾埋在海底的泥浆里，你将接触到数十亿的古细菌，”地质微生物学学主任Bo Barker Jørgensen教授说。

新技术将功能和特性联系起来

这是科学家们首次成功地将来自海底泥浆样品中的古细菌细胞进行分类，并随后分析了细胞的基因组，由此揭示了这些生物是什么，以及它们依靠什么生存。

“目前，我们还无法在实验室培养或是储存这些古细菌，因此使得微生物学家无法开展通常的生理测试。我们因此进行了细胞提取，细胞分选，随后绘制了单个细胞的基因组信息。这是一种可以揭示细胞特性和生活方式的新方法，”地质微生物学中心Microbiology Andreas Schramm教授说。

这一方法为微生物学家开辟了一个新知识世界，他们现在可以像动物学家研究个体小鼠一样研究单个微生物。微生物学家长期以来一直希望做到这一点。直到现在，他们也只熟悉不到世界上不到1%微生物的生命过程，而这些微生物是他们可以在实验室培养的。新方法为研究剩余的直接来自大自然的微生物提供了机遇。

“将这一新技术应用于海洋沉积物，意味着我们不必用千年的时间等待实验室培育出古细菌来分析它们的基因组——我们可以直接从环境中测序它们。未来，这种方法将无疑会揭示出来自许多不同环境的微生物的未知功能，”博士后研究人员Dorthe Groth Petersen说。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Predominant archaea in marine sediments degrade detrital proteins

Half of the microbial cells in the Earth’s oceans are found in sediments1. Many of these cells are members of the Archaea2, single-celled prokaryotes in a domain of life separate from Bacteria and Eukaryota. However, most of these archaea lack cultured representatives, leaving their physiologies and placement on the tree of life uncertain. Here we show that the uncultured miscellaneous crenarchaeotal group (MCG) and marine benthic group-D (MBG-D) are among the most numerous archaea in the marine sub-sea floor. Single-cell genomic sequencing of one cell of MCG and three cells of MBG-D indicated that they form new branches basal to the archaeal phyla Thaumarchaeota3 and Aigarchaeota4, for MCG, and the order Thermoplasmatales, for MBG-D. All four cells encoded extracellular protein-degrading enzymes such as gingipain and clostripain that are known to be effective in environments chemically similar to marine sediments. Furthermore, we found these two types of peptidase to be abundant and active in marine sediments, indicating that uncultured archaea may have a previously undiscovered role in protein remineralization in anoxic marine sediments.