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[转载]从古老生物被膜样品中挖掘微生物资源 | The Innovation Geoscience

已有 700 次阅读 2023-12-25 22:26 |系统分类:科普集锦|文章来源:转载

微生物是地球上分布最广泛和最多样化的生物类群,在天然产物的开发中具有巨大的潜力。然而,由于微生物培养技术的局限性等,绝大部分(99%)的微生物不可被培养,这对微生物资源的挖掘提出了更大挑战。本文基于一项探索古人类牙齿表面重建的微生物基因组中潜藏的天然产物的研究,将前沿技术特点与微生物生态学理论相结合,提出了开发环境微生物资源的研究方向。

J Lu, W Zhang TheInnovation创新 2023-12-25 00:02

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图1 基于时空多维度结合以及创新技术方法开发微生物资源


微生物具有丰富的物种和功能多样性,在生物地球化学循环中发挥着重要作用。同时微生物能够产生多种次级代谢产物,在天然产物开发中具有巨大的潜力。绝大多数环境微生物的不可培养性,很大程度上限制了人们对微生物资源的开发。近年来,随着基因组学和宏基因组学等新技术的发展,不可培养微生物DNA中蕴藏的资源逐渐得到越来越多的关注。

在最近的一项研究中,科学家对来自古代人类样本的牙菌斑生物被膜进行了宏基因组学分析,将自然微生物群落中的资源追溯到了更远的时间尺度,使资源的开采不再局限于“活”的微生物。据此我们认为,人类已经有足够的能力从地球上更多的地区探索潜在有用的古老微生物DNA。根据已有知识,北极地区的永久冻土很可能保存了更加古老的DNA,并且可能携带了比牙齿生物被膜中微生物DNA更丰富的信息。

除了时间尺度,人们逐渐认识到从海洋广阔的空间中开采微生物资源也是开发新生物制品的一个有前景的策略。得益于采样技术发展和采样设备的改进,目前科学家到达了多个以前未被触及的地点采集生物样本,如超深海带、热液喷口和两极地区。然而,这些样品孵化的研究成果当前主要聚焦在微生物的环境适应机制及其在生物地球化学循环中的作用。由于对样品质量要求更高,从这些极端环境中开发微生物资源仍然具有很大挑战性。为突破样品质量的限制,可通过开发单细胞测序技术,从微量样品中捕捉和重建极端环境中细菌基因组;而分析技术的发展,例如基于机器学习开发的数据处理和分析工具,也将助力微生物资源的开发;最后,作为宏组学技术的“宿敌”和替代方案,培养当前未培养的微生物仍然是必要的,因为它既能促进“开采”,也促进“生产”,可谓“菌体在手,产物我有”

简而言之,地球微生物中仍然存在着大量的资源有待开发,微生物资源探索中挑战和机遇并存。时间和空间多维度的结合以及技术方法的创新,将使得人们对天然产物的探索和发现永不停息。


总结与展望


拓宽时间和空间的维度使资源的开发不再局限于常规环境中“活”的微生物,这赋予了人类更多发现新资源的机会,同时也对采样方法和检测技术带来更大的挑战性。单细胞测序技术、机器学习以及富集培养实验等方法可能有利于人们克服这些挑战,而这些技术的应用对研究人员提出了更高的、多学科交叉的研究能力要求。


责任编辑


顾一帆  北京工业大学

梁小龙  中国科学院沈阳应用生态研究所


本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Geoscience第1卷第2期以Commentary发表的“Microbial resource mining from ancient biofilms” (投稿: 2023-05-22;接收: 2023-07-08;在线刊出: 2023-07-28)。


DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-geo.2023.100018


引用格式:Lu J., Fan S., Ding W., et al., (2023). Microbial resource mining from ancient biofilms. The Innovation Geoscience 1(2), 100018.

原文链接:https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-geo.2023.100018


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作者简介


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卢 洁,中国海洋大学博士生,主要研究方向是海洋生物被膜微生物资源的计算与开发。作为第一作者发表The Innovation Geoscience、International Journal of Molecular Sciences,参与发表Nature Communications、Applied and Environmental Microbiology等期刊论文。

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张伟鹏,中国海洋大学海洋生物多样性与进化研究所、海洋生命学院教授,独立PI。担任山东微生物学会海洋微生物专业委员会委员,山东微生物学会科普工作委员会委员,The Innovation和iMeta青年编委。研究方向聚焦海洋生物被膜(Marine Biofilms)组学与代谢,内容包括生物被膜细菌多样性,群落组装机制,物质代谢特点以及微生物资源开发。以第一或通讯作者身份在Nature Communications、The Innovation Geoscience、iMeta、Microbiome、mSystems、Journal of Biological Chemistry、Molecular Ecology、Environmental Microbiology、Applied and Environmental Microbiology等主流学术期刊发表论文31篇,其中多篇为ESI高被引、亮点或封面论文。共发表论文93篇,引用3500多次,H指数35。


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