《Cell》延时显微荧光成像技术发现了新的微生物暗物质

科学家揭示了生活在较大细菌表面的微小细菌的不寻常生活方式所必需的基因。

　　

Patescibacteria是一种神秘的微小微生物，它们的生存方式难以捉摸。虽然科学家只能培养出其中的一小部分，但它们是在许多环境中发现的多样化家族的一部分。

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，许多细菌依赖其他细菌生长。在最近发表在《Cell》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。

研究小组对Patescibacteria感兴趣有几个原因。它们是许多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《Cell》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Actinobacteria的陪伴，Actinobacteria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。

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，这可能有助于Patescibacteria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Patescibacteria细胞。利用这些细胞，研究人员对与宿主细菌一起生长的Patescibacteria进行了延时显微荧光成像。研究人员报告说，一些Patescibacteria通过附着在宿主细胞上，反复出芽，产生小的蜂群后代，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“这些生物体所包含的丰富的微生物暗物质储备”的作用打开大门，并有可能揭示尚未想象到的生物机制。

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。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。

微生物学教授Mougous说:“我们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Patescibacteria如何利用宿主细菌生长的谜团。”

Mougous实验室的资深科学家S. Brook Peterson指出:“Patescibacteria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。”

参考文献:Genetic manipulation of Patescibacteria provides mechanistic insights into microbial dark matter and the epibiotic lifestyle” by Yaxi Wang, Larry A. Gallagher, Pia A. Andrade, Andi Liu, Ian R. Humphreys, Serdar Turkarslan, Kevin J. Cutler, Mario L. Arrieta-Ortiz, Yaqiao Li, Matthew C. Radey, Jeffrey S. McLean, Qian Cong, David Baker, Nitin S. Baliga, S. Brook Peterson and Joseph D. Mougous, 7 September 2023, Cell.