新基因工具有望揭开海洋微生物之谜

荧光显微镜下，加入海洋原生动物的基因(左)显示为绿点(右)。照片来源:日本筑波大学/平川良善

世界上50%的氧气是由海洋微生物产生的。然而，这些微小的海洋生物在很大程度上仍然是科学界的一个谜。4月6日发表在《自然方法论》上的一项研究称，在全世界100多名研究人员的努力下，科学家们已经找到了一种通过细胞和基因技术来解开一些海洋生物细胞基因组的方法。

法国索邦大学国家研究机构CNRS的海洋生物学家安吉拉·法尔佳托没有参与这项研究，她说这项研究“将促进浮游生物生物学的进步”。她说这些进步可能帮助我们理解生命的早期进化，甚至帮助我们开发新的抗生素。

海洋浮游生物是一种无形的生命。当它们出现时，它们会将海洋染成蓝色、绿色甚至红色。一些浮游生物是被称为原生动物的单细胞结构。像植物一样，它们利用光将二氧化碳转化为氧气。原生动物不仅提供我们呼吸所需的氧气，而且也是大型浮游生物的食物，这些浮游生物反过来又成为无脊椎动物和鱼类的食物。

德国康斯坦茨大学的藻类生物学家Peter Kroth没有参与这项研究，他说:“有大量未经探索的原生动物对这些生态系统产生了巨大影响。”

2015年，戈登和贝蒂·摩尔基金会，一个支持微生物学和环境基础研究的慈善组织，为研究人员提供了800万美元的研究资金来填补这一知识空白。在一系列关于动物、植物、酵母和细菌的研究中，当科学家修改生物体的细胞基因时，他们发现了这些细胞基因如何工作的重要线索。

最后，研究人员收集了他们的专业知识和洞察力，选择了39个物种进行研究。大多数研究对象是微生物，如赤潮，它可能对渔业、娱乐和休闲产业造成灾难性的经济后果，有些代表原生动物科的不同分支。

研究人员收集了大量微生物，主要来自沿海水域，然后尝试如何培养每个物种，最后测试不同的营养物质和温度，以确定哪种方法最有效。

为了探索这些基因，科学家们不得不尝试将外源DNA引入其中，这是一个非常大胆的尝试。他们发现，有时射出包裹在DNA中的微小金或钨粒子是让DNA穿过细胞膜的最有效方法。有时细胞膜被电击穿孔，使细胞膜渗漏。用这种方法可以把脱氧核糖核酸挤进细胞。下一步是使这部分DNA成为细胞基因组的一部分，或者至少将其转化为蛋白质。

细胞基因进入并开始制造蛋白质。有时细胞防御措施会破坏它们，有时基因工程中常用的酶在低温下不起作用，研究人员必须找到新的酶来完成这项工作。“世界上没有一个组织能够独自面对这些技术挑战，”法尔夏托说。

研究人员给总共13个物种添加了基因，包括一种用毒素杀死鱼类的原生动物，以及另一种也感染软体动物和两栖动物的原生动物。

这项工作有助于揭示原生动物如何工作。研究人员开始通过改变基因的DNA和监控原生动物的行为、功能或生化变化来了解这些基因的作用。例如，影响原生动物抵抗细菌能力的基因可能编码蛋白质，从而为人类创造新的抗生素。

在遥远的原生动物中做同样事情的基因可能代表了在早期祖先中已经存在的基因，这为原生动物的进化提供了线索。克罗斯说:“我的实验室肯定会受益。”

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41592-020-0796-x