一种新兴的基因组分析技术让科学家们得以观察到以前难以研究的微生物，揭示了生命之树不同分支之间意想不到的联系。
由加利福尼亚州核桃溪美国能源部联合基因组研究所的微生物学家 Tanja Woyke 领导的研究人员，使用单细胞测序技术读取了从九个不同环境中采集的 201 个细菌和古细菌细胞的基因组，这些环境包括热液喷口和地下金矿。这些生物均未被测序或在实验室中培养过。 研究结果 今天发表在《自然》杂志上。
“这是一篇令人惊叹的论文，”科罗拉多大学博尔德分校的微生物学家 Norman Pace 说。“一次性从单细胞中获得数百个基因组序列的成就是微生物学的一个全新水平。”
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单细胞测序 使科学家能够通过将 DNA 扩增 10 亿倍来破译单个细胞的基因组，为研究“微生物暗物质”开辟了道路。 这些是通过宏基因组学研究等方法发现的生物，宏基因组学研究检查生活在共同环境中的一批微生物，但难以或不可能在实验室中培养。
Woyke 和她的团队试图探索这种暗物质，方法是选择高度多样化的微生物并对它们基因组的一部分进行测序（根据细胞的不同，其范围可能从不到 10% 到超过 90%）。 这些序列阐明了微生物彼此之间以及与其他物种之间的关系。
这项工作表明，生命王国之间的一些传统界限并不像人们想象的那么严格。例如，研究人员认为，一个细菌谱系使用以前认为仅存在于古细菌中的酶来合成嘌呤碱基——DNA 和 RNA 的组成部分。同时，该研究中测序的三个古细菌细胞携带有 sigma 因子，这些因子启动 RNA 转录，以前仅在细菌中发现。
研究人员还发现了一种细菌，它“重新编码”了三个字母的碱基序列 UGA——称为蛋白石终止密码子。在几乎所有其他生物中，这种核苷酸序列都会发出信号，指示细胞停止将 RNA 翻译成蛋白质。但是在这个生物中，它告诉细胞制造氨基酸甘氨酸。该团队建议将其放入一个新的细菌门，称为 Gracilibacteria。
在另一种细菌中也发现了类似的重新编码，这表明生命的密码可能比科学家假设的更灵活。
“如果你考虑到我们在这些 201 个基因组中发现的所有新颖之处，这是惊人的，因为我们只看到了那里巨大的多样性的一小部分，”Woyke 说。
研究人员表示，他们的工作可以帮助在生命之树光秃秃的枝干上添加更多的叶子。Woyke 和她的同事估计，尽管有数百万种微生物物种属于至少 60 个主要门，但所有培养的微生物中有 88% 仅属于四个细菌门。
他们深入的研究提供了足够关于微生物关系的新信息，以便更好地对先前宏基因组学项目中的约 3.4 亿个序列读取进行分类。但是，他们估计，需要对大约 16,000 个细胞进行测序才能覆盖世界上未研究的微生物谱系的一半。因此，该领域还有很长的路要走，加利福尼亚州圣地亚哥 J. Craig Venter 研究所的微生物学家 Jeffrey McLean 说。
“这凸显了单细胞基因组学的力量，同时也揭示了我们需要加大努力以弥合地球上微生物多样性知识的巨大差距，”McLean 说。