微生物如何与环境互作和进化？

打开微生物内部的生化宝库

将微生物内部的分子机制想象成技术的艺术插图。

次级代谢产物由微生物产生，用于调节其内外部信息传递、自我防卫和化学战争，同时，这些化合物也是数百种农业、工业和医疗产品的基础。近日，由美国能源部联合基因组研究所（JGI）领导的微生物学家和基因组学家们发明了一种叫做CRAGE的基因工程工具，不仅使研究微生物的次级代谢产物变得容易，还填补了微生物如何与环境互作和进化方面的重大知识空白。相关论文发表在《自然微生物学》杂志上。

次级代谢产物之所以得此命名，是因为它们的活动和功能对微生物的生存并不是必需的，但可能会帮助微生物在面对环境压力时获得优势。产生次级代谢物的能力是由一组被称为生物合成基因簇（BGCs）的基因编码的，很容易通过水平基因转移在不同的微生物之间来回传递。这种快速而广泛的基因共享允许微生物，通过快速获得或失去某些特征来适应变化的条件，而且由于频繁的基因交换会带来突变，BGCs的水平基因转移也驱动了多种次级代谢产物的发展。

不幸的是，用传统的方法很难研究次级代谢产物，因为当微生物被带到实验室这样一个几乎没有困难或竞争的人工环境时，它们通常不会费力去制造这些化合物。而CRAGE帮助科学家们克服了这一障碍。

“这些代谢物就像微生物与生物群落相互作用的一种语言，当它们被孤立时，就会变得沉默。”JGI的科学家、该研究的共同作者Yasuo Yoshikuni说，“我们目前缺乏技术来刺激微生物激活它们的BGCs并合成完整的产物——这是一个涉及许多步骤的细胞过程。”

CRAGE非常高效，可以将来自一个生物体的BGCs同时转移到许多不同的潜在生产宿主中，以识别在实验室条件下能够自然产生次级代谢产物的微生物菌株。“因此，CRAGE使我们比以前更容易获得这些化合物。”来自德国法兰克福歌德大学的Helge Bode说，“目前，它已经帮助我们首次生产并描述了一种感兴趣的化合物。”

更广泛地说，通过提供一种将微生物的分子机制从一个物种转移到另一个物种的技术，CRAGE将使科学家能够超越理论和预测，最终观察归属于“生物暗物质”范畴的化合物实际上是如何工作的。

“这是一个里程碑式的进展，因为通过CRAGE，我们可以研究不同的生物如何以不同的方式表达一个基因网络，从而研究水平转移的能力如何进化。”研究报告的合著者David Hoyt说。Hoyt和他的同事Kerem Bingol还有Nancy Washton在Yoshikuni的小组测试CRAGE时帮助鉴定了一种未知的次级代谢产物。

该研究的第一作者之一、JGI的科学工程助理Jing Ke补充说：“除了帮助研究次级代谢物，CRAGE还可以用于设计微生物来生产蛋白质、RNA和其他分子，它具有很广泛的应用。”

到目前为止，该团队已经成功地将BGCs转移到30种不同的菌株中，并期望它能在许多其他菌株中发挥作用，接下来可能需要针对某些物种进行调整。进一步的研究和产品开发目前正在进行中，但目前这项技术在通过试点项目的JGI研究团队中是可用的。

与此同时，2013年开发出前体基因重组工具RAGE的Yoshikuni和他的同事已经开始将CRAGE应用到他们自己的项目中，比如探索用于生物制造的非常规细菌宿主。Yoshikuni说：“除了一些经过充分研究的微生物，也就是所谓的大肠杆菌模型，我们不知道一个菌株是否具备完成BGC激活所有步骤所需的技能。希望有了CRAGE，我们可以开始改变这种模式——我们可以研究更多的野生物种，发现它们更适合生产产品和药物的特性。”

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编译：花花审稿：alone 责编：张梦

期刊来源：《自然微生物学》期刊编号：2058-5276

原文链接：https://phys.org/news/2019-10-biochemical-treasure-chest-microbes.html