Jill Banfield 和她的团队使用基因组解析的宏基因组学来发现 新的 CRISPR 系统, 巨大的病毒, 生命之树上全新的枝条，以及更多——但究竟是什么 is 宏基因组学? 我们想退后一步，向读者介绍班菲尔德实验室发现和理解新事物的开创性技术。 微生物，在 Banfield 实验室副项目科学家 Spencer Diamond 的帮助下。
什么是宏基因组学，我们可以从中学到什么？
宏基因组学是研究 的DNA 来自生物体的混合群落，通常是微生物。 它涉及从土壤、含水层或身体的一部分等环境中采集微生物样本。 遗传物质是分离的，所得样本具有来自所有社区成员的遗传物质，混合在一起。 可以从什么样的人身上学到很多东西 基因 存在于样本中，比如那里有什么物种，它们使用什么代谢途径，它们的免疫系统如何工作等等。
“世界上只有 1% 的微生物是在实验室中培育出来的，”戴蒙德说。 “尽管我们尽了最大的努力，但他们中的大多数人仍然无法做到。 有时是因为我们不知道它们生长所需的确切条件，但也因为许多微生物是群居的——它们与其他微生物共生或寄生，它们不能自己生长。”
宏基因组学是研究我们无法在实验室种植的许多物种的主要方法。 这些生物体可能具有独特的代谢途径，并且可能是抗生素和抗生素的新来源 基因组- 编辑工具，如 CRISPR.
什么是基因组解析宏基因组学？
在基因组解析的宏基因组学中，DNA 序列的复杂混合物被分段、测序并组装成更长的连续序列，代表基因组的一部分或整个。 “基因组解析的宏基因组学，”Diamond 说，“为您提供所有存在于其中的生物体的完整图片，它们的基因组是什么，以及它们可能能够做什么。” IGI 微生物学主任 Jill Banfield 开创了基因组解析的宏基因组学 2004.
到目前为止，宏基因组学有哪些重大发现？
基因组解析宏基因组学已被用于发现和研究生活在一些最偏远和极端环境中的生物，如间歇泉、沙漠和有毒废水。 一些最重要的发现是以前科学上未知的新物种和全新的生物类别。
“宏基因组学改写了生命之树，”戴蒙德说。 “现在我们知道存在大量的遗传多样性，而人类和动物只是角落里的一小点。 在进化的意义上，我们微不足道，渺小！ 这有点讽刺，因为我们发现大多数生物实际上都非常小——就在我们脚下的是如此惊人的遗传多样性。 地球上的大部分生命多样性实际上都存在于微生物中。 宏基因组学发现了我们以前不知道存在的一大群微生物。 其中许多是超小型的，比我们意识到的要小。”
什么是元转录组学和元蛋白质组学？ 我们可以从他们身上学到什么？
“基因组学 这意味着，您无需针对单个小片段 DNA，只需对混合物中的所有 DNA 进行测序，然后使用计算机对数据进行分类，”Diamond 解释道。 “'组学'的想法被应用于其他领域。” 元转录组学是一种对所有基因进行测序的方法 RNA 在混合样本中，宏蛋白质组学是一种识别 蛋白质 在混合样本中。
“生命有四种主要的大分子：蛋白质、脂质（脂肪）、碳水化合物和 核酸 – DNA 和 RNA，”戴蒙德说。 “而且这些事情中的每一个都告诉你一个关于生物体中发生的事情的故事。 DNA 基本上会告诉你它是谁以及它可能做什么。 它的实际作用会因情况而异，而 mRNA 会告诉你一个生物体在一个小时间尺度上正在积极做什么，哪些基因正在被打开和关闭。 蛋白质组是该生物体中存在的所有蛋白质的一个花哨词——它确实是关于某一时刻生物体中实际存在哪些蛋白质的基本事实。 每个都提供了对正在发生的事情以及在不同时间尺度上发生的事情的不同看法。”
宏基因组学有哪些潜在应用？
“宏基因组学在发现新的分子生物学工具方面卓有成效，”Diamond 说，“许多遗传技术都基于将 DNA 与我们已知的事物进行匹配。 使用宏基因组学，您不知道会得到什么！ 我们可以恢复我们从不知道存在，甚至怀疑存在于样本中的 DNA 和基因组。 在这些未知的基因组中还有更多的东西有待发现。”
事实上，CRISPR 基因组编辑 技术是对 CRISPR 免疫系统的一种适应，这些系统存在于许多人的基因组中 菌 和 古和来自不同生物体的 CRISPR 相关蛋白质正在开发用于编辑、诊断工具等。 微生物也可以成为新药的灵感来源，如抗生素、抗真菌药和他汀类药物。 神秘的新基因组中可能还潜伏着什么？
“就全球生态系统而言，动物的新陈代谢非常无聊，我们基本上只是吃食物和呼吸空气。 但是这些微小的有机体可以进行令人难以置信的不同类型的新陈代谢。 它们负责我们生物圈中所有营养物质的周转，”戴蒙德说。 例如，一些微生物以甲烷（一种温室气体）为食，而其他微生物则将土壤中的氮转化为植物生长所需的形式。 随着我们对这些生物的了解越来越多，我们或许能够利用它们的代谢能力来减少温室气体排放、改善土壤健康、减少农场投入、从大气中捕获碳等等。
宏基因组学的下一个前沿是什么？
“到目前为止，我们真的有点像观鸟者——我们去这些环境中观察正在发生的事情。 我们已经到了可以使用宏基因组学来识别生物体以及它们可能在做什么的地步，”Diamond 说。
在一个 新文, Diamond 与 Benjamin Rubin、Brady Cress 以及 Banfield 和 Doudna 实验室的其他研究人员一起采取措施，甚至不必将生物体从其原生环境和微生物群落中分离出来，就能够编辑微生物基因组。 首先，他们模仿土壤 微生物 通过在实验室中培养一组九种土壤微生物。 用基因组编辑试剂处理整个微生物组，他们只能成功编辑特定生物体中的基因。
为了在自然环境中进行编辑，该团队开始使用富含微生物的人类粪便样本。 从样本中，他们将生物体培养在一起，形成了一个主要由 14 种不同类型微生物组成的稳定群落。 用基因组编辑工具对待整个社区，他们能够专门编辑个人 E。大肠杆菌 菌株，靶向与感染相关的基因。
未来，社区编辑方法可能会用于直接编辑自然环境中的选定生物，以治疗人类疾病、缓解气候变化等。 了解有关新社区编辑论文的更多信息 这里。.
