一種新興的基因組分析技術讓科學家們得以觀察到以前難以研究的微生物，揭示了生命之樹不同分支之間意想不到的聯絡。
由加利福尼亞州核桃溪美國能源部聯合基因組研究所的微生物學家 Tanja Woyke 領導的研究人員，使用單細胞測序技術讀取了從九個不同環境中採集的 201 個細菌和古細菌細胞的基因組，這些環境包括熱液噴口和地下金礦。這些生物均未被測序或在實驗室中培養過。 研究結果 今天發表在《自然》雜誌上。
“這是一篇令人驚歎的論文，”科羅拉多大學博爾德分校的微生物學家 Norman Pace 說。“一次性從單細胞中獲得數百個基因組序列的成就是微生物學的一個全新水平。”
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單細胞測序 使科學家能夠透過將 DNA 擴增 10 億倍來破譯單個細胞的基因組，為研究“微生物暗物質”開闢了道路。 這些是透過宏基因組學研究等方法發現的生物，宏基因組學研究檢查生活在共同環境中的一批微生物，但難以或不可能在實驗室中培養。
Woyke 和她的團隊試圖探索這種暗物質，方法是選擇高度多樣化的微生物並對它們基因組的一部分進行測序（根據細胞的不同，其範圍可能從不到 10% 到超過 90%）。 這些序列闡明瞭微生物彼此之間以及與其他物種之間的關係。
這項工作表明，生命王國之間的一些傳統界限並不像人們想象的那麼嚴格。例如，研究人員認為，一個細菌譜系使用以前認為僅存在於古細菌中的酶來合成嘌呤鹼基——DNA 和 RNA 的組成部分。同時，該研究中測序的三個古細菌細胞攜帶有 sigma 因子，這些因子啟動 RNA 轉錄，以前僅在細菌中發現。
研究人員還發現了一種細菌，它“重新編碼”了三個字母的鹼基序列 UGA——稱為蛋白石終止密碼子。在幾乎所有其他生物中，這種核苷酸序列都會發出訊號，指示細胞停止將 RNA 翻譯成蛋白質。但是在這個生物中，它告訴細胞製造氨基酸甘氨酸。該團隊建議將其放入一個新的細菌門，稱為 Gracilibacteria。
在另一種細菌中也發現了類似的重新編碼，這表明生命的密碼可能比科學家假設的更靈活。
“如果你考慮到我們在這些 201 個基因組中發現的所有新穎之處，這是驚人的，因為我們只看到了那裡巨大的多樣性的一小部分，”Woyke 說。
研究人員表示，他們的工作可以幫助在生命之樹光禿禿的枝幹上新增更多的葉子。Woyke 和她的同事估計，儘管有數百萬種微生物物種屬於至少 60 個主要門，但所有培養的微生物中有 88% 僅屬於四個細菌門。
他們深入的研究提供了足夠關於微生物關係的新資訊，以便更好地對先前宏基因組學專案中的約 3.4 億個序列讀取進行分類。但是，他們估計，需要對大約 16,000 個細胞進行測序才能覆蓋世界上未研究的微生物譜系的一半。因此，該領域還有很長的路要走，加利福尼亞州聖地亞哥 J. Craig Venter 研究所的微生物學家 Jeffrey McLean 說。
“這凸顯了單細胞基因組學的力量，同時也揭示了我們需要加大努力以彌合地球上微生物多樣性知識的巨大差距，”McLean 說。