Nature：大型宏基因組學(xué)研究表明土壤是潛在的抗生素和抗真菌劑聚寶盆

在一項(xiàng)新的研究中，來自美國加州大學(xué)伯克利分校的研究人員指出能夠在宏基因組學(xué)技術(shù)的幫助下對土壤---的抗生素來源---進(jìn)行更加充分地挖掘以便發(fā)現(xiàn)新的藥物和其他有用的化學(xué)物。他們報(bào)道對一勺土壤中的每一種微生物的基因組進(jìn)行測序，即所謂的宏基因組測序，并從中發(fā)現(xiàn)數(shù)百個(gè)用于產(chǎn)生復(fù)雜的潛在有用的分子的基因。鑒于土壤中的絕大多數(shù)微生物不能夠在培養(yǎng)皿中進(jìn)行培養(yǎng)，采用其他的技術(shù)是很難發(fā)現(xiàn)這些分子的。這些基因中的多數(shù)來自之前未知的細(xì)菌群體。這些基因可能會產(chǎn)生這些微生物用來進(jìn)行自我防御的抗生素或抗真菌劑。這些產(chǎn)生的抗生素或抗真菌劑也可能用于抵抗人體中的細(xì)菌或真菌感染。相關(guān)研究結(jié)果于2018年6月13日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Novel soil bacteria possess diverse genes for secondary metabolite biosynthesis”。
 

尋找新的抗生素已成為當(dāng)務(wù)之急，這是因?yàn)橹虏?/span>細(xì)菌對當(dāng)前藥物的耐藥性日益增加，而新型抗生素藥物的開發(fā)速度已逐漸放慢腳步。據(jù)美國疾病控制與預(yù)防中心（CDC）估計(jì)，在美國，每年至少有200萬人感染了抗生素耐藥菌并且至少有2.3萬人因這些感染直接死亡。

在這項(xiàng)研究中，從在美國加州北部的一處草地下4至16英寸深處獲得的60個(gè)不同的樣品（每個(gè)樣品的重量為10克）中，這些研究人員能夠組裝出大約1000種不同微生物（細(xì)菌和古細(xì)菌）的基因組。他們?nèi)缃駥⑵渲械?60種微生物作為新鑒定出的能夠產(chǎn)生復(fù)雜分子的細(xì)菌物種加以報(bào)道，而且許多復(fù)雜分子類似于已知的抗生素。

這些研究人員說，這是迄今為止為復(fù)雜的通過宏基因組學(xué)技術(shù)進(jìn)行測序和組裝的微生物群落。據(jù)推測富含腐殖質(zhì)的土壤含有成千上萬種不同的微生物，它們中的大多數(shù)具有較低的數(shù)量。他們能夠組裝的這1000種微生物基因組在數(shù)量上相差很大：對其中的少數(shù)微生物基因組而言，每種微生物都代表土壤中大約1％的微生物物種，但是大多數(shù)微生物的數(shù)量比前者要少數(shù)百到數(shù)千倍。

論文通信作者、加州大學(xué)伯克利分校地球與行星科學(xué)系教授Jill Banfield博士說，“從解析基因組的宏基因組學(xué)角度來看，土壤是后的邊界。它含有許多不同種類的微生物，其中的很多微生物存在著緊密的親緣關(guān)系，而且具有比較低的豐度，因此這就很難區(qū)分它們。”

抗生素和抗真菌劑

盡管這些研究人員迄今為止并不知道他們預(yù)測這些微生物產(chǎn)生的數(shù)百種復(fù)雜分子的確切化學(xué)結(jié)構(gòu)，也并不知道它們發(fā)揮何種作用，但是他們已與其他的生物學(xué)家聯(lián)手尋找答案。他們打算合成20多個(gè)新發(fā)現(xiàn)的基因，以便能夠?qū)⑦@些基因插入到其他的有機(jī)體中，在那里它們經(jīng)表達(dá)后產(chǎn)生蛋白。隨后，他們將試圖確定這些蛋白發(fā)揮的功能，而且如果它們是酶的話，也將試圖確定它們制造出的復(fù)雜分子以及這些分子是否具有抗生素性質(zhì)或其他的新性質(zhì)。

除了具有抗生素或抗真菌劑活性外，這些分子可能具有可以適用于實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)的功能，就像從細(xì)菌中獲取的CRISPR-Cas9系統(tǒng)已成為一種革命性的新型基因編輯工具一樣。在過去，土壤微生物一直是抗癌藥物和用于阻止器官排斥的免疫抑制劑的來源。

Banfield說，“大多數(shù)這些新的生物合成分子都是從人們所知道的土壤中豐富的細(xì)菌中提取出來的，它們之前之所以沒有被發(fā)現(xiàn)是因?yàn)槿藗儧]有確定出它們的基因組。我們期待發(fā)現(xiàn)新的抗生素，這可能會有益于人類，而且更廣義地說，我們也期待發(fā)現(xiàn)新的藥物。”

Banfield說，雖然近年來一些研究人員已期待通過從土壤中提取DNA并將它隨機(jī)插入到細(xì)菌中來觀察會發(fā)生什么以便尋找新的抗生素，但是這種“功能性宏基因組學(xué)”技術(shù)可能會遺漏由較大的基因簇產(chǎn)生的分子。

論文作者、加州大學(xué)伯克利分校研究生Alexander Crits-Christoph說，“傳統(tǒng)上，人們已經(jīng)獲取土壤樣品并試圖在瓊脂平板上分離出一些微生物，但是僅不到1％的微生物能夠在瓊脂平板上生長。這就是為什么我們今天使用的許多抗菌劑來自幾個(gè)細(xì)菌家族。當(dāng)從環(huán)境中組裝它們的基因組時(shí)，就沒有產(chǎn)生這種選擇效果；你獲得的所有東西實(shí)際上都存在于那里。這是一種靶向方法。”

草地微生物

這些土壤樣品是從加州門多西諾縣（Mendocino County）安吉洛海岸山脈保護(hù)區(qū)（Angelo Coast Range Reserve）的一塊草地上獲得的，這些地塊作為一項(xiàng)氣候變化研究的一部分被監(jiān)測了15年。作為美國能源部的一項(xiàng)關(guān)于土壤碳循環(huán)研究的一部分，60個(gè)土壤樣品在美國能源部聯(lián)合基因組研究所接受測序，并且測序出的DNA由Banfield實(shí)驗(yàn)室博士后研究員Spencer Diamond組裝為基因組。這些研究人員估計(jì)這1000種微生物高質(zhì)量基因組占這些土壤樣本中的所有微生物的20％～40％。

Crits-Christoph掃描了1000種幾乎完整的微生物基因組，以便尋找類似于其他的源自土壤的抗生素合成基因的基因。比如，*是聚酮化合物，而*、*和*都是非核糖體肽。他發(fā)現(xiàn)1000多個(gè)聚酮化合物和非核糖體肽合成基因來自大約三分之一的這些具有組裝基因組的微生物。 

他還在這項(xiàng)研究中鑒定出的基因簇附近尋找潛在的抗生素耐藥性基因，這種搜索策略是有效的，這是因?yàn)楫a(chǎn)生抗生素的微生物必須首先讓它們自己具有抵抗性而不會殺死自己。他期待觀察這些已被鑒定出的基因簇何時(shí)與與微生物競爭行為和社會相互作用相關(guān)的基因同時(shí)激活，這是因?yàn)檫@些基因簇能夠是土壤中微生物相互作用的重要介質(zhì)。

Banfield說，“這些微生物的化學(xué)生態(tài)學(xué)也是非常引人關(guān)注的。這些化學(xué)物是有機(jī)體用來溝通和爭奪資源并獲得資源的分子。其中的一些化學(xué)物可能對溶解礦物以便獲得營養(yǎng)物是非常重要的。它們能夠告訴我們這些有機(jī)體是如何相互作用的。”

這些研究人員在酸桿菌門（Acidobacteria）的新成員中發(fā)現(xiàn)了大量的生物合成基因，其中酸桿菌門是土壤生物群落中為豐富的細(xì)菌門。來自不同譜系的兩種全新的酸桿菌基因組各自編碼多達(dá)15個(gè)較大的抗生素樣基因簇。

Diamond 說，“兩年前，如果你問人們抗生素來自哪些微生物，那么他們會說放線菌和桿菌---這兩類真正地定義了微生物抗生素的微生物。如今，這項(xiàng)研究開辟了一片全新的森林，里面充滿著全新種類的可能成為抗生素勘探目標(biāo)的微生物。”（生物谷 ）

參考資料：

Alexander Crits-Christoph, Spencer Diamond, Cristina N. Butterfield et al.Novel soil bacteria possess diverse genes for secondary metabolite biosynthesis. Nature, Published online: 13 June 2018, doi:10.1038/s41586-018-0207-y