一种新的方法被创造出来，帮助科学家识别与微生物中未知角色的基因相关的特征或功能。这是理解不同物种在我们星球多样微生物组中的贡献和影响的关键进展。
在劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）开发的一种开创性方法简化了研究人员揭示与微生物中未知目的的基因相关的特征或功能的过程，这对于深入理解各种物种的贡献至关重要。
这种被称为条形码过表达细菌枪库文库测序（barcoded overexpression bacterial shotgun library sequencing），或称为 Boba-seq 的新方法，详细信息发布于8月5日的《自然通讯》上。
“微生物领域中存在大量的遗传暗物质——我们可以用现有技术测序的 DNA，但其功能仍然未知。关键问题是，我们如何有效地研究这些遗传物质，以理解我们周围的微生物组？主要的答案是——通过这种方法，”研究的首席作者、伯克利实验室生物科学领域的高级研究员亚当·阿金解释道。
Boba-seq 由从特定细菌中随机选择的 DNA 片段组成，并在宿主细菌细胞中表达。 “我们的概念是，我们可以观察引入新基因如何改变该细菌的生长特征，”首席作者、纽约大学生物医学与生物科学助理教授的黄 Yolanda 评论道，她在阿金的实验室进行博士后研究。“这种功能基因组学的方法使我们能够快速建立基因或 DNA 段与其潜在功能之间的联系。”
“条形码”这个名字指的是一个短 DNA 序列，它作为一个较大 DNA 片段的唯一标识符，类似于识别特定商品的小代码的杂货店条形码。生物体的整个基因组被随机分为包含单个基因或基因簇的片段。这些片段然后被放入质粒中——圆形 DNA 结构——每个被独特条形码标记。这些来自生物体的条形码质粒的集合被称为 Boba-seq “文库”。这个文库可以引入到不同的细菌宿主中，创造出大量的遗传变异，这些变异随后可以筛查出新的行为或特征。
阿金和他在生物科学领域的团队是基因功能分析的高通量方法公认的专家，并在开发许多其他操控或沉默基因以进行功能研究的技术方面发挥了作用，包括 RB-TnSeq、CRISPRi 和 Dub-Seq。
使用 Boba-seq，研究人员可以将数十万个条形码片段引入宿主细胞，并在不同条件下培养它们，以确定它们在单个实验中的功能。例如，如果特定条形码的细胞在抗生素暴露中繁荣生存，而其他细胞则死亡，这表明与该片段相关的基因提供了抗生素抗性。得益于条形码系统，准确定位负责这一特性的特定片段变得高效和经济。
“Yolanda 使用 Boba-seq 的进展使我们能够准确锁定成千上万的片段中负责我们希望研究的特征或性质的片段，”阿金表示。“我们新的策略使我们能够创建文库，并以比以前的过表达方法更高的通量使用它们。”
Boba-seq 的另一个重大进展是能够在其来源生物体（或相关的生物体）中测试片段，这对于准确理解基因功能至关重要。早期方法受到限制，只能在如大肠杆菌和酵母等模式生物中测试基因，因此很难或有时不可能评估来自与大肠杆菌截然不同的生物体的基因功能，因为这些基因可能在大肠杆菌中无法有效工作。
为分析 Boba-seq 结果而开发的计算工具通过开源平台与其他研究人员共享。“我非常期待看到全球的研究人员如何采用 Boba-seq，尤其是在涉及肠道微生物组或环境研究的宏基因组研究中，”合著者、阿金实验室的加州大学伯克利分校研究生艾莉森·洪表示。“从微生物群落中提取功能信息而不需要分离，可以节省大量时间和资源，对于检查那些在实验室中难以培养的微生物（如 ENIGMA 等复杂生态系统中发现的微生物）至关重要。”ENIGMA 代表“与基因和分子组装一体化的生态系统和网络”，是由阿金共同领导的美国能源部（DOE）科学重点领域，专注于理解微生物群落如何循环营养物质和解毒有害金属污染物。
在开发和完善 Boba-seq 后，阿金的团队应用该方法调查细菌门 Bacteroidales 中的基因，这是一类广泛存在于人类肠道中的微生物，因其在我们内部微生物组中扮演的各种角色而闻名。Bacteroidales 也在土壤生态系统中发挥重要作用，分解有机物以回收植物所需的营养物质。研究人员从六种 Bacteroidales 物种生成了 305,000 个条形码片段，并同时评估了 21,000 多个编码蛋白质的基因。
初步结果表明，某些编码负责生成特定脂质分子的酶的基因能够赋予对抗生素头孢曲松（属于头孢类抗生素）的抗性。这些基因此前未与抗生素抗性相关联，表明需要进一步探索。
该团队还识别出与碳水化合物代谢相关的新功能，包括一种在分解氨基葡萄糖（存在于骨骼、结缔组织以及昆虫和甲壳类动物外骨骼中的修饰糖）中必须的酶。在肠道中，微生物利用氨基葡萄糖作为能量来源，并构建其细胞壁，而人类肠道细胞则利用它产生粘液膜，这对于健康的营养吸收和保护免受病原体至关重要。
对 Bacteroidales 的这些发现将有助于健康研究人员深入了解肠道功能，因为这一微生物群体通常作为“共生体”支持肠道健康，但在某些条件下，释放的营养物质也可能助长病原体的生长，” Huang 指出。
阿金及其 ENIGMA 同事目前正在使用 Boba-seq 探索土壤微生物如何从大多数生命形式无法代谢的复杂碳基化合物中提取能量。同时，黄打算在她的新实验室（纽约州立大学布法罗分校的雅各布医学院与生物医学科学）中实施 Boba-seq，以研究细菌用来抵抗感染其的噬菌体（感染细菌的病毒）的基因，增强它们在肠道中的定植能力，并代谢复杂的碳水化合物。
这项研究得到了美国能源部科学办公室的部分资助。黄 Yolanda 是与生命科学研究基金会相关的 Astellas 制药奖获得者。
