勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)開發(fā)的一項新技術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，這是了解單個物種的作用和影響的關鍵一步。
這種方法被稱為條形碼過表達細菌鳥槍文庫測序，或Boba-seq，在8月5日發(fā)表在《自然通訊》上的一篇論文中進行了描述。
“有太多的遺傳暗物質——DNA，我們可以用今天的方法快速測序，但不知道它在微生物宇宙中的功能。問題是，我們如何研究所有這些物質來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·阿金說，他是伯克利實驗室生物科學領域的高級教員科學家。
Boba-seq涉及從感興趣的細菌中隨機提取DNA片段，并在宿主細菌細胞中表達它們。“我們的想法是，我們可以看到新基因的存在如何賦予細菌生長表型的差異，”第一作者Yolanda Huang說，她是布法羅大學微生物學和免疫學助理教授，在研究期間是Arkin實驗室的博士后研究員。“這是一種功能基因組學方法，我們可以用它來快速連接一個基因或一段DNA序列與潛在功能。”
名稱中的“條形碼”一詞指的是一個小的DNA序列，科學家們用它作為一個更大的DNA片段的識別標簽，就像雜貨店里的條形碼用一個小代碼識別特定商品一樣。被研究的生物體的整個基因組被隨機分成含有單個基因或幾個基因簇的片段，然后插入質粒(DNA的圓形包裝)中，質粒被標記有獨特的條形碼。Boba-seq“文庫”指的是包含生物體片段的所有條形碼質粒。這個文庫可以被引入到不同的細菌宿主中，產(chǎn)生大量的遺傳變異，然后篩選新的行為或特性。
Arkin和他在生物科學領域的同事是研究基因功能的高通量技術的領先專家，并參與了許多其他技術的發(fā)明，包括RB-TnSeq、CRISPRi和Dub-Seq，這些技術可以插入或沉默基因來研究它們的功能。
利用Boba-seq，可以將數(shù)十萬個條形碼片段放入宿主細胞中，并在不同條件下進行培養(yǎng)，從而在一次實驗中確定其功能。例如，如果具有特定條形碼的細胞在整個培養(yǎng)物暴露于抗生素時生長良好，而其他細胞則死亡，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，識別產(chǎn)生這種新能力的片段既便宜又快速。
“Yolanda對Boba-seq的創(chuàng)新使我們能夠確定數(shù)十萬個片段中哪些片段賦予了我們想要的表型或特性，”Arkin說。“我們的新策略使我們能夠制作庫，并以比以前的過表達方法更高的吞吐量使用它們。”
另一個重大突破是，Boba-seq片段可以在提取它們的同一生物體(或近親)中進行測試，這對于獲得基因功能的準確圖像至關重要。以前的技術是有限的，因為它們只測試像大腸桿菌和酵母這樣的模式生物的基因。來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的實驗室工作結果的計算工具在一個開源平臺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使用Boba-seq，特別是用于腸道或環(huán)境的宏基因組研究，”Arkin實驗室的加州大學伯克利分校研究生Allison Hung說。“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)省了大量的時間和資源，這將是研究難以在實驗室培養(yǎng)的微生物的關鍵，比如那些生活在復雜生態(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)絡的縮寫，是由Arkin共同領導的能源部(DOE)科學重點領域，旨在了解微生物群落如何通過生態(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的團隊通過研究擬桿菌門的基因來測試這項新技術，擬桿菌門是一種在人類腸道中大量存在的微生物分類目，已知在我們體內的微生物群中起著許多作用。擬桿菌也是陸地土壤過程的主要參與者，它們降解有機物并將營養(yǎng)物質歸還給植物。該團隊從6個擬桿菌科物種的文庫中生成了305,000個條形碼片段，并并行評估了超過21,000個蛋白質編碼基因。
這些原理驗證實驗的結果表明，編碼某些脂質分子的酶的基因賦予了對頭孢曲松(頭孢菌素類抗生素)的抗性。這些基因以前沒有與抗生素耐藥性聯(lián)系起來，值得進一步調查。
研究小組還發(fā)現(xiàn)了碳水化合物代謝中的幾個新功能，包括代謝葡萄糖胺所需的酶，葡萄糖胺是一種存在于骨骼、結締組織、昆蟲和甲殼類動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構建它們的細胞壁，而形成腸道內壁的人類細胞則利用葡萄糖胺來產(chǎn)生粘液膜，幫助維持健康的營養(yǎng)吸收并防止病原體的入侵。
黃說，對擬桿菌門的這些見解將幫助健康研究人員更好地了解腸道功能，因為這個目“大多數(shù)時候都是共生的，真正維持腸道健康”。“但在某些州，擬桿菌釋放的營養(yǎng)物質可以被病原體用來支持它們自己的生長。”
Arkin和他的ENIGMA同事現(xiàn)在正在使用Boba-seq來研究土壤微生物如何在大多數(shù)生命形式無法代謝的環(huán)境中從復雜的碳基分子中獲取能量。與此同時，黃計劃在布法羅大學雅各布斯醫(yī)學與生物醫(yī)學科學學院的新實驗室中使用Boba-seq來研究細菌用來逃避噬菌體(感染細菌的病毒)攻擊的基因，提高腸道內的定菌效率，并分解復雜的碳水化合物。
這項研究得到了美國能源部科學辦公室的部分支持。Yolanda Huang是生命科學研究基金會的安斯泰來制藥獎獲得者。
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-8/20240815000218935.htm） | 
