勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)將使研究人員更容易發(fā)現(xiàn)微生物中未知功能基因編碼的特征或活動(dòng)，這是了解單個(gè)物種的作用和影響的關(guān)鍵一步。
這種方法被稱為條形碼過(guò)表達(dá)細(xì)菌鳥(niǎo)槍文庫(kù)測(cè)序，或Boba-seq，在8月5日發(fā)表在《自然通訊》上的一篇論文中進(jìn)行了描述。
“有太多的遺傳暗物質(zhì)——DNA，我們可以用今天的方法快速測(cè)序，但不知道它在微生物宇宙中的功能。問(wèn)題是，我們?nèi)绾窝芯克羞@些物質(zhì)來(lái)了解我們周圍的微生物群?最基本的答案是——像這樣，”主要作者亞當(dāng)·阿金說(shuō)，他是伯克利實(shí)驗(yàn)室生物科學(xué)領(lǐng)域的高級(jí)教員科學(xué)家。
Boba-seq涉及從感興趣的細(xì)菌中隨機(jī)提取DNA片段，并在宿主細(xì)菌細(xì)胞中表達(dá)它們。“我們的想法是，我們可以看到新基因的存在如何賦予細(xì)菌生長(zhǎng)表型的差異，”第一作者Yolanda Huang說(shuō)，她是布法羅大學(xué)微生物學(xué)和免疫學(xué)助理教授，在研究期間是Arkin實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員。“這是一種功能基因組學(xué)方法，我們可以用它來(lái)快速連接一個(gè)基因或一段DNA序列與潛在功能。”
名稱中的“條形碼”一詞指的是一個(gè)小的DNA序列，科學(xué)家們用它作為一個(gè)更大的DNA片段的識(shí)別標(biāo)簽，就像雜貨店里的條形碼用一個(gè)小代碼識(shí)別特定商品一樣。被研究的生物體的整個(gè)基因組被隨機(jī)分成含有單個(gè)基因或幾個(gè)基因簇的片段，然后插入質(zhì)粒(DNA的圓形包裝)中，質(zhì)粒被標(biāo)記有獨(dú)特的條形碼。Boba-seq“文庫(kù)”指的是包含生物體片段的所有條形碼質(zhì)粒。這個(gè)文庫(kù)可以被引入到不同的細(xì)菌宿主中，產(chǎn)生大量的遺傳變異，然后篩選新的行為或特性。
Arkin和他在生物科學(xué)領(lǐng)域的同事是研究基因功能的高通量技術(shù)的領(lǐng)先專家，并參與了許多其他技術(shù)的發(fā)明，包括RB-TnSeq、CRISPRi和Dub-Seq，這些技術(shù)可以插入或沉默基因來(lái)研究它們的功能。
利用Boba-seq，可以將數(shù)十萬(wàn)個(gè)條形碼片段放入宿主細(xì)胞中，并在不同條件下進(jìn)行培養(yǎng)，從而在一次實(shí)驗(yàn)中確定其功能。例如，如果具有特定條形碼的細(xì)胞在整個(gè)培養(yǎng)物暴露于抗生素時(shí)生長(zhǎng)良好，而其他細(xì)胞則死亡，那么你就知道該片段中的基因或基因編碼了抗生素抗性特征。由于有了條形碼，識(shí)別產(chǎn)生這種新能力的片段既便宜又快速。
“Yolanda對(duì)Boba-seq的創(chuàng)新使我們能夠確定數(shù)十萬(wàn)個(gè)片段中哪些片段賦予了我們想要的表型或特性，”Arkin說(shuō)。“我們的新策略使我們能夠制作庫(kù)，并以比以前的過(guò)表達(dá)方法更高的吞吐量使用它們。”
另一個(gè)重大突破是，Boba-seq片段可以在提取它們的同一生物體(或近親)中進(jìn)行測(cè)試，這對(duì)于獲得基因功能的準(zhǔn)確圖像至關(guān)重要。以前的技術(shù)是有限的，因?yàn)樗鼈冎粶y(cè)試像大腸桿菌和酵母這樣的模式生物的基因。來(lái)自與大腸桿菌非常不同的生物體的基因通常在大腸桿菌中不起作用，這使得很難或不可能清楚地了解這些基因的作用。
用于處理涉及Boba-seq的實(shí)驗(yàn)室工作結(jié)果的計(jì)算工具在一個(gè)開(kāi)源平臺(tái)上可供其他研究人員使用。“我很高興看到其他人如何在世界范圍內(nèi)使用Boba-seq，特別是用于腸道或環(huán)境的宏基因組研究，”Arkin實(shí)驗(yàn)室的加州大學(xué)伯克利分校研究生Allison Hung說(shuō)。“在不隔離的情況下從微生物群落中提取功能信息的能力節(jié)省了大量的時(shí)間和資源，這將是研究難以在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的微生物的關(guān)鍵，比如那些生活在復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中的微生物，目前是ENIGMA研究的一部分。”ENIGMA是基因和分子組裝的生態(tài)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的縮寫(xiě)，是由Arkin共同領(lǐng)導(dǎo)的能源部(DOE)科學(xué)重點(diǎn)領(lǐng)域，旨在了解微生物群落如何通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)養(yǎng)分并解毒重金屬污染物。
在建立和完善Boba-seq之后，Arkin的團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究擬桿菌門(mén)的基因來(lái)測(cè)試這項(xiàng)新技術(shù)，擬桿菌門(mén)是一種在人類腸道中大量存在的微生物分類目，已知在我們體內(nèi)的微生物群中起著許多作用。擬桿菌也是陸地土壤過(guò)程的主要參與者，它們降解有機(jī)物并將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)歸還給植物。該團(tuán)隊(duì)從6個(gè)擬桿菌科物種的文庫(kù)中生成了305,000個(gè)條形碼片段，并并行評(píng)估了超過(guò)21,000個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因。
這些原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，編碼某些脂質(zhì)分子的酶的基因賦予了對(duì)頭孢曲松(頭孢菌素類抗生素)的抗性。這些基因以前沒(méi)有與抗生素耐藥性聯(lián)系起來(lái)，值得進(jìn)一步調(diào)查。
研究小組還發(fā)現(xiàn)了碳水化合物代謝中的幾個(gè)新功能，包括代謝葡萄糖胺所需的酶，葡萄糖胺是一種存在于骨骼、結(jié)締組織、昆蟲(chóng)和甲殼類動(dòng)物外骨骼中的修飾糖分子。在腸道中，微生物利用葡萄糖胺作為一種能量分子來(lái)構(gòu)建它們的細(xì)胞壁，而形成腸道內(nèi)壁的人類細(xì)胞則利用葡萄糖胺來(lái)產(chǎn)生粘液膜，幫助維持健康的營(yíng)養(yǎng)吸收并防止病原體的入侵。
黃說(shuō)，對(duì)擬桿菌門(mén)的這些見(jiàn)解將幫助健康研究人員更好地了解腸道功能，因?yàn)檫@個(gè)目“大多數(shù)時(shí)候都是共生的，真正維持腸道健康”。“但在某些州，擬桿菌釋放的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以被病原體用來(lái)支持它們自己的生長(zhǎng)。”
Arkin和他的ENIGMA同事現(xiàn)在正在使用Boba-seq來(lái)研究土壤微生物如何在大多數(shù)生命形式無(wú)法代謝的環(huán)境中從復(fù)雜的碳基分子中獲取能量。與此同時(shí)，黃計(jì)劃在布法羅大學(xué)雅各布斯醫(yī)學(xué)與生物醫(yī)學(xué)科學(xué)學(xué)院的新實(shí)驗(yàn)室中使用Boba-seq來(lái)研究細(xì)菌用來(lái)逃避噬菌體(感染細(xì)菌的病毒)攻擊的基因，提高腸道內(nèi)的定菌效率，并分解復(fù)雜的碳水化合物。
這項(xiàng)研究得到了美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的部分支持。Yolanda Huang是生命科學(xué)研究基金會(huì)的安斯泰來(lái)制藥獎(jiǎng)獲得者。
（文章來(lái)源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-8/20240815000218935.htm） | 
