从温泉中揭开隐藏的微生物谱系

尽管全球微生物种群数量几乎比地球上或地球上的任何其他种群大几个数量级，但迄今为止只发现了一小部分。美国能源部(DOE)正在寻求揭示地球微生物多样性的真实程度，以便更多地了解在调节关键生物地球化学循环中起关键作用的基因，酶和代谢途径。更彻底的调查可能会为能源部研究人员推进其能源和环境调查的新策略。

在2016年1月27日发表在Nature Communications上的一项研究中，美国能源部联合基因组研究所(JEI)的研究人员领导的一个团队利用最大的宏基因组数据集来发现一个全新的细菌门。他们称之为“Kryptonia”。

研究第一作者，美国能源部JGI研究科学家Emiley Eloe-Fadrosh说：“我们有兴趣寻找以前没有表征过的新的，不同的细菌或古细菌序列。” “我们没有一个特定的目标可以追求，但推断可能有大量未开发的多样性等待在所有的宏基因组数据中被发现。”

噪声中的信号

分析大量基因组数据的研究人员与使用金属探测器慢慢扫描海滩的海滩漫步者不同。两者都在寻找暗示宝藏的噪音中的信号，无论是新奇的微生物还是海盗金。该团队以微生物组样本(IMG / M)系统的综合微生物基因组中的5.2万亿碱基(Terabases或Tb)序列开始。在研究了相当于1,700多个人类基因组或100万个大肠杆菌细菌基因组后，研究小组确定了长序列，其中包含通常用于指定所有生命(细菌，古细菌和真核生物)的系统发育标记(对应于核糖体RNA，rRNA的DNA) )进入一个特定的分类系统。

该团队确定了来自四个不同地热温泉的序列 - 大沸腾泉，内华达州，加拿大的杜瓦河泉，以及中国的公小社和金泽池 - 这些都不能放入任何可识别的门中。从宏基因组数据集和单细胞基因组重建基因组产生了四个属于新候选门的谱系，命名为Kryptonia(Candidatus Kryptonia)，来自希腊语中的“隐藏”。

鉴于目前有35个培养的细菌和古细菌门，以及大致相同数量的公认的未培养门，Eloe-Fadrosh说，鉴定一个新的候选门是一个惊喜。“你不是每天都能找到一个全新的门。所有的研究都是在温泉中进行的，我们假设所有新奇事物都已被发现。但我们发现这些未知的谱系丰富多彩。”

从该宏基因组学数据集中回收的几乎完整的Kryptonia基因组的分析也揭示了在这些生物体中存在CRISPR-Cas噬菌体防御系统。利用这些信息，该团队能够跟踪Kryptonia相对于感染细菌的假定噬菌体的全球生物地理分布。“虽然围绕CRISPR-Cas系统的生物技术应用进行了大量研究和媒体关注，但我们非常高兴将其用作重建有机体感染史的强大工具，以及发现和追踪相关病毒，“该论文的共同作者，原核生物超级计划负责人Nikos Kyrpides说。

揭露新奇也揭示了偏见

对Kryptonia的分析表明，细菌需要依赖其他微生物来满足几种营养需求，这表明这个候选门虽然在地热泉中很丰富，但之前没有找到过这种候选门的原因。“我们假设Kryptonia参与代谢伙伴关系，培养在野外具有独特相互作用的细菌非常具有挑战性，这些细菌不一定会在实验室中复制，”Eloe-Fadrosh说，他认为宏基因组学的综合力量和单细胞基因组学捕获本文所述的新型微生物。“我认为该领域的一大挑战是量化微生物多样性，而这些技术使我们更接近于实现这一目标。”

这项工作强化了DOE JGI主任Eddy Rubin和Microbial Program负责人Tanja Woyke去年在Science发表的观点。他们写道：“有理由相信，目前的方法可能确实会错过分类群，特别是如果它们与迄今为止已被表征的那些非常不同。” “过去对可用宏基因组数据集的探索集中于发现与已知基因和基因组的匹配 - 这种分析自然偏向于揭示完全新奇的生命。”

Eloe-Fadrosh说，该团队在Kryptonia发现了独特的代谢途径，暗示可能还有其他与生物途径相关的新酶等待被发现。“就像Taq聚合酶对分子生物学来说是革命性的，在Kryptonia中可能存在一种具有生物技术相关性的酶，”她补充说。

她的言论与研究合着者和内华达大学拉斯维加斯分校的DOE JGI合作者Brian Hedlund提供的猜测相呼应。注意到Kryptonia在木质纤维素降解中发挥作用，他补充说，在Kryptonia刚刚出现的“微生物暗物质”中，仍有潜在的资源可供等待生物技术应用。例如，他说，公司正在销售来自嗜热生物的酶，用于快速诊断测试，包括DOE JGI在黄石热池上进行的先前研究。“如果人们花时间和金钱寻找微生物，我相信应用程序就在那里，”他说。