Cell打开新的研究方向：鲜为人知的微生物“暗物质”

至少从中石器时代起，一种令人困惑的微小细菌就生活在人类的嘴里，对这种细菌的基因操作正在阐明其不同寻常的生活方式所需的基因。人类口腔微生物组中的这些patescibacterium存在于另一个更大的宿主微生物的表面。在许多水和陆地环境中发现的Patescibacteria通常缺乏制造生命所需的许多分子所需的基因，例如构成蛋白质的氨基酸、形成膜的脂肪酸和DNA中的核苷酸。这使得研究人员推测，许多细菌依赖其他细菌生长。在一项新的研究中，研究人员首次揭示了它们与宿主细胞关系背后的分子机制。他们还分享了从这些细菌发芽和发出小群后代时的荧光延时显微成像中收集到的细节，其中只有一小部分能够建立宿主关系。

　　

Patescibacteria是一群令人费解的微小微生物，它们的生存方式一直难以理解。科学家只能培养少数几种类型的细菌，然而这些细菌是在许多环境中发现的一个多样化的群体。

研究人员可以在实验室中培养的几种Patescibacteria寄生在另一种更大的宿主微生物的细胞表面。一般来说，Patescibacteria缺乏制造生命所必需的许多分子所需的基因，比如构成蛋白质的氨基酸、形成膜的脂肪酸和DNA中的核苷酸。这使得研究人员推测，它们中的许多都要依靠其他细菌才能生长。

在9月7日发表在《细胞》杂志上的一项研究中，研究人员首次揭示了不寻常的Patescibacteria生活方式背后的分子机制。这一突破之所以成为可能，是因为发现了一种从基因上操纵这些细菌的方法，这一进步开辟了一个可能的新研究方向的世界。

西雅图系统生物学研究所(Institute for System Biology)的Nitin S. Baliga说:“虽然宏基因组学可以告诉我们哪些微生物生活在我们的身体上和体内，但单靠DNA序列并不能让我们了解它们的有益或有害活动，尤其是对那些以前从未被描述过的有机体。”该研究所为这项研究提供了许多计算和系统分析。

他补充说:“对Patescibacteria进行基因干扰的能力，为应用强大的系统分析镜头，快速表征专性表观生物的独特生物学特性提供了可能性。”他指的是必须生活在另一个生物体上才能生存的生物体。

这项研究背后的团队由华盛顿大学医学院微生物学系 Joseph Mougous实验室和霍华德-休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute）领导，他们对Patescibacteria感兴趣有几个原因。

首先，它们是鲜为人知的细菌之一，它们的DNA序列在对来自环境来源的物种丰富的微生物群落的基因组进行大规模遗传分析时突然出现。这种遗传物质被称为“微生物暗物质”，因为人们对它编码的功能知之甚少。

根据《细胞》杂志的论文，微生物暗物质可能包含有潜在生物技术应用的生化途径信息。它还提供了支持微生物生态系统的分子活动的线索，以及聚集在该系统中的各种微生物物种的细胞生物学。

这项最新研究分析的Patescibacteria属于Saccharibacteria。它们生活在各种陆地和水环境中，但最出名的是栖息在人类的嘴里。至少从中石器时代开始，它们就已经是人类口腔微生物群的一部分，并与人类口腔健康有关。

在人类的口腔中，Saccharibacteria需要放线菌的陪伴，放线菌是它们的宿主。为了更好地理解Saccharibacteria与其宿主联系的机制，研究人员使用遗传操作来识别Saccharibacteria生长所必需的所有基因。

微生物学教授Mougous说:“能够对这些细菌携带的不寻常基因的功能有了初步的了解，我们非常兴奋。通过将我们未来的研究重点放在这些基因上，我们希望揭开Saccharibacteria如何利用宿主细菌生长的谜团。”

研究中发现的可能的宿主相互作用因素包括细胞表面结构，可能有助于Saccharibacteria附着在宿主细胞上，以及可能用于运输营养物质的特殊分泌系统。

作者工作的另一个应用是产生表达荧光蛋白的Saccharibacteria细胞。利用这些细胞，研究人员对与宿主细菌一起生长的Saccharibacteria进行了延时显微荧光成像。

Mougous实验室的资深科学家S. Brook Peterson指出:“Saccharibacteria宿主细胞培养的延时成像揭示了这些不寻常细菌生命周期的惊人复杂性。”

研究人员报告说，一些Saccharibacteria通过附着在宿主细胞上，反复出芽，产生小的后代，从而充当母细胞。这些小细胞继续寻找新的宿主细胞。一些后代，反过来，成为母细胞，而其他的似乎与宿主无效地相互作用。

研究人员认为，额外的基因操作研究将为更广泛地理解他们所描述的“微生物暗物质的丰富储备”的作用打开大门，并有可能揭示尚未想象到的生物机制。

这项跨学科的合作研究是由新成立的Microbial Interactions & Microbiome Center (简称mim_c)促进的。mim_c的使命是降低微生物组研究的障碍，并通过来自不同学科的志同道合的研究人员的联系促进合作。

该研究得到了美国国立卫生研究院(RO1AI128215, RO1AI141953和R01DE023810)，美国国家科学基金会(MCB-2105570, IIBR -2042948, IOS-2050550，国防部国防威胁减少局(HDTRAA1-21-1-007)，比尔和梅林达盖茨基金会(OPP1156262)，韦尔奇基金会(I-2095-20220331)的资助。

文章标题

Genetic manipulation of Patescibacteria provides mechanistic insights into microbial dark matter and the epibiotic lifestyle