在地球的內(nèi)部、地球之上以及地球的周圍，微生物的數(shù)量達到了10^30，估計超過了銀河系中的星星。微生物已知在調(diào)控碳固定，維持氮、硫、磷和其他營養(yǎng)素的循環(huán)中起至關(guān)重要的作用，但目前大多數(shù)的微生物仍然是無法培養(yǎng)和未知的。美國能源部正以這一“微生物暗物質(zhì)”作為目標，更好地了解地球微生物的多樣性，收集來自自然的教訓用于應對能源和環(huán)境的挑戰(zhàn)。

然而要探索地球微生物的多樣性，要求更多地了解較少研究的，微生物和感染它們的病毒，影響微生物調(diào)控循環(huán)能力的病毒之間的關(guān)系。盡管據(jù)估計病毒的數(shù)量至少比地球上的微生物細胞高出兩個數(shù)量級，在序列數(shù)據(jù)庫中相比約5萬的細菌基因組，當前的測序DNA病毒基因組不超過2,200個。

在發(fā)表于8月17日《自然》（Nature）雜志上的一項研究中，美國能源部聯(lián)合基因組研究院(DOE JGI)的研究人員利用來自世界各地zui大規(guī)模采集的組裝宏基因組數(shù)據(jù)集，揭示出了125,000個部分及完整的病毒基因組，其中大多數(shù)病毒感染微生物。這一研究努力將已知的病毒基因數(shù)量提高了16倍，為研究人員提供了*的病毒序列信息資源。

論文的資深作者、DOE JGI原核生物超級計劃負責人Nikos Kyrpides說：“這是*次有人系統(tǒng)地查看所有的生境及如此大的數(shù)據(jù)匯編。揭示所有這些新病毒的關(guān)鍵在于我們開發(fā)出了敏感的計算方法。”

“揭開新病毒的一把鑰匙”

*作者、博士后研究人員David Paez-Espino解釋，這涉及采用了一種非針對性的宏基因組學方法，參考了分離病毒和手動監(jiān)管的病毒蛋白模型，他將其描述為是“迄今為止zui大、zui多樣的數(shù)據(jù)集”。
研究小組分析了從DOE JGI綜合微生物基因組與微生物組樣品（Integrated Microbial Genomes with Microbiome Samples）數(shù)據(jù)管理和分析系統(tǒng)獲得的，來自10個不同類型生境、世界各地3,042個樣本的超過5萬億堿基（Tb）的序列。他們努力篩查大堆的數(shù)據(jù)集，生成了包含279萬個蛋白的125,000多個病毒序列。

研究小組將病毒序列與多個生境中的多個樣本進行了匹配。例如，他們發(fā)現(xiàn)一個病毒組存在于海洋過渡區(qū)95%的樣本中——這一區(qū)域定位在海面下200-1,000米之間，在沒有充足的陽光照射供微生物進行光合作用。

通過分析一個CRISPR-Cas系統(tǒng)，研究人員生成了一個包含350萬間隔序列（spacer sequence）的數(shù)據(jù)庫。然后利用這些間隔序列檢測了病毒和噬菌體宏基因組，尋找這些片段有可能zui初來自何處。利用這種方法，該研究小組還計算確定了近10,000種病毒的宿主。他們報告說：“大多數(shù)的這些都是從前未知的，包括在以往未發(fā)現(xiàn)病毒的16個原核生物類群中鑒別出了充當病毒宿主的生物。”

CRISPR-Cas蛋白的信標

DOE JGI功能基因組學研究組組長說，Kyrpides開展的鑒別新病毒序列的研究工作將幫助合成生物學研究組開發(fā)出一些可以在許多細菌宿主中起作用的新啟動子。“我們正在不斷地尋找將跨越許多不同的類群起作用的調(diào)控DNA元件，這將使得我們能夠構(gòu)建出可以在許多不同宿主中表達的基因和信號通路。”

Cheng還預計，Kyrpides研究小組生成的這一擴充的病毒間隔序列將使得研究人員能夠?qū)ふ业椒Q作為前間區(qū)序列鄰近基序(PAMs)的其他遺傳序列。在噬菌體中這些序列定位靠近間隔序列，可作為CRISPR-Cas的信標，觸發(fā)如編輯或調(diào)控基因等行為。“人們正在尋找新的PAM序列和新的Cas9s，有了這一新信息，如果你可以在同一噬菌體上定位間隔序列，看看鄰近序列中有什么共有的東西，那么你就可以識別出新的PAM序列。”

“我們認為發(fā)現(xiàn)許多大噬菌體，包括迄今為止報道的zui長的噬菌體基因組，指出了常規(guī)的病毒組富集和測序策略的一些局限性，有可能讓這些研究對具有不同尋常特征的一些新奇的病毒產(chǎn)生偏見，”研究的共同作者Natalia Ivanova說。

Kyrpides 說：“該研究zui重要的一個方面就是沒有將焦點放在單一生境上。轉(zhuǎn)而我們檢測了的病毒組，調(diào)查了病毒在所有生態(tài)系統(tǒng)中的流動。我們將病毒序列數(shù)量提高了50倍，鑒別出的99%的病毒家族都與以往測序的病毒沒有密切關(guān)系。我們將充當病毒宿主的微生物類群數(shù)量增長了超過一倍，構(gòu)建出了*個病毒分布圖。這提供了巨大數(shù)量的數(shù)據(jù)供未來的數(shù)年進行更詳細的研究。”