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宏基因组学,微生物和生命的意义

从地铁到空间站等等

玛丽埃尔·莫恩斯著

当克里斯托弗·梅森讲话时,他的热情吸引着你的注意力。他说话有一种容易激动的节奏,当他讲一个狡猾的笑话时,他没有一个节拍,这种性格似乎适合喧嚣的纽约生活。梅森只是每天乘坐地铁的数百万纽约人中的一员。就像生物学的动态分子过程一样,纽约市的公共交通系统也在不断地运动。而且,每个通勤者身上的微生物群中还携带着数万亿细菌,这些细菌是看不见的乘客。当然,微生物组研究表明,我们的微观乘客大多是无害的,甚至是有益的。然而,我们周围的微生物世界仍有很多未知之处。像梅森这样的研究人员受到一种传染性好奇心的驱使,想要了解“为什么”和“如何”。

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每天有超过500万人乘坐纽约地铁。

摄影:Felix Lipov©123 rf.com

在宏观层面上,他的使命是探索我们的世界,并最终探索宇宙。在微观层面上,他利用基因组学对我们体内和周围的微生物群有了新的发现,以更好地理解它对人类的影响和影响。

超越中心法则

梅森是威尔康奈尔医学院的副教授,是宏基因组学这一新兴领域的全球领导者之一。随着技术的进步,科学家可以收集和分析更大的生物数据集,为解决生物医学问题提供更强大的方法。生物学的中心教条描述了被统称为基因组的生物遗传信息流。DNA被转录成RNA, RNA再被翻译成蛋白质——分别是基因组学、转录组学和蛋白质组学的分子领域。但“组学”研究的大型数据集告诉我们,生物学并不简单。在每一个转变之间,都有化学修饰和编辑,影响这些生物构建模块的功能。当你开始思考所有这些变异的范围时,研究领域就超越了基因组,变成了epi基因组;同样的,表转录组和表蛋白质组。宏基因组学的研究将这一想法更进一步。“简而言之,宏基因组学就是包括所有物种的所有DNA,”梅森说,“实际上,你在样本中测序的任何东西——无论是临床的、环境的还是其他的。”通过观察样本中所有生物基因组的存在,它在给定的时间点上创建了生物信息的快照或签名。

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中心法则描述了生物有机体中遗传信息的流动。

宏基因组学改变了研究人员和临床医生研究健康和医学的方式。完成人类基因组计划2003年为了解遗传的复杂人类疾病提供了基线。测序技术的进步使研究人员能够拼凑出数百万个DNA片段,并将其映射到人类基因组参考序列。这一技术突破为检测、诊断和治疗疾病提供了另一种方法。随着微生物组研究领域的发展,宏基因组测序为更多地了解传染病、抗菌素耐药性和免疫的遗传关系打开了大门。有了宏基因组测序的能力,科学家不仅可以解开人类健康和疾病的奥秘,还可以探索人类如何与外界互动。

《孩子的好奇心

对科学知识的追求是由我们天生的好奇心驱动的,这是一种基本的人类特征,可能在蹒跚学步的孩子身上表现得最明显。他们还很年轻,还不知道所有的事情,但也足够成熟,有个人的能动性——导致他们经常不加过滤地表达自己的想法和行动。梅森回忆说,有一天他和女儿一起坐地铁,女儿不由自主地弯下腰去舔地铁上的一根杆子。他的第一反应是震惊。“我当时像做父母一样害怕。我在想‘刚才发生了什么?’”但就像他的女儿一样,也像任何优秀的科学家一样,他的好奇心占了上风。

他说:“显然有微生物群的转移,所以我回到家,试图弄清楚大众交通系统表面上有什么已知的东西。”他发现只有少数几篇论文使用16S测序(一种检测和识别不同种类细菌的快速方法)来检测空气样本中的微生物组(1,2)。我们所知道的不多。因此,梅森和他的团队开始擦拭纽约市的各个表面,以创建微生物群的“遗传地图”,而不是个人,而是城市本身。

“在一个你不知道要寻找什么的世界里,最好的办法就是探索。”

今天,梅森的项目已经扩展为一个全球性的项目,叫做MetaSUB.来自世界各地的研究人员正在使用宏基因组学对建筑环境中的DNA进行取样和测序,以了解地球主要城市的“遗传图谱”。如此大规模的MetaSUB项目需要积极的参与者、有效的方法和可靠的技术。梅森和他的同事利用全球各地参与的公民科学家协调了全球采样日。在同一天,同一时间,每个人都被指示使用相同的协议。他们擦洗了城市周围的所有东西:旋转门、报亭、长凳等等。每个棉签都是条形码,并扫描到为该项目设计的定制移动应用程序中。

样本采集完成后,研究小组需要提取DNA。在处理大数据集时,样本的质量、提取方法和仪器灵敏度都会影响数据分析。梅森的团队使用麦克斯韦®工具用于大部分DNA提取,然后在Illumina平台或牛津纳米孔等长读取平台上进行下一代测序。

他说:“自动化是关键,因为你想要减少任何批量效应或技术人员错误的问题领域。”此外,当从独特来源的未知物质样本中提取DNA时,当需要高产量时,低投入是一个问题。“(Maxwell)实际上为我们解决了所有这些问题。太棒了。”他估计,他们总共从大约1万个样本中提取了DNA,并对其中大约一半进行了测序。该计划将继续采样到2020年,总共获得约3万个样本。

该项目有三个主要目标:1)发现我们周围的东西;2)跟踪耐药标志物;3)扫描新的生物合成基因簇。梅森说:“在一个你不知道要寻找什么的世界里,最好的办法就是探索。”正如在科学中所发生的那样,未知往往会导致更多的未知,从而推动科学的探究方法。在纽约市的首次研究中,梅森和他的团队发现了许多以前从未见过的新的DNA片段。在任何给定的样本中,几乎50%的DNA与任何已知的生物、人类或其他生物都不匹配(3)。此外,收集的数据提供了抗微生物药物耐药标记物和生物合成基因簇的动态概述。不同的城市会出现不同的“热点”。梅森认为,这些数据将有助于开发新的抗生素或其他分子药物化合物,从而降低疾病传播或生物恐怖主义的风险。他没有通过恐惧来解释这些发现,而是希望这些发现能帮助人们更好地做出有关公共卫生和保护人类的决定。

飞向轨道及更远的地方

探索的努力不会止步于我们的城市,也不会止步于我们的星球。梅森的下一个任务是把他的好奇心带到外太空和更远的地方。“我小时候参加过太空夏令营,所以我一直对太空很感兴趣,”梅森说。有机会把他对太空的热爱和对遗传学的热爱结合起来,他准备探索更多的未知。

国际空间站(ISS)是一个合作项目,于1998年发射进入轨道。它是各种科学领域的研究环境,收集有关零重力和暴露于太空影响的数据。自2000年11月以来,它一直被多达6名研究人员占据,来自18个不同国家的200多人访问。虽然大多数任务持续4-6个月,但宇航员斯科特和马克·凯利,同卵双胞胎,成为了这次太空探索的主题NASA双胞胎研究这项为期一年的任务旨在研究太空对人体的影响。斯科特·凯利作为轨道上的“测试对象”指挥国际空间站,而马克·凯利则作为“控制对象”留在地球上。

梅森加入这个项目是为了特别了解人类基因如何受到太空旅行的影响。“我们想要得到DNA、RNA和微生物组样本。我们尽可能地看了所有的东西,所有的组学,并对他们进行了分析,”梅森说。“它帮助我们思考登陆火星的问题。”作为第一个利用基因组学研究人体变化的任务,双胞胎研究为长期太空探索开创了先例。2015年,斯科特·凯利在太空中度过了将近一年的时间,现在将近三年过去了,这项研究的结果已经发表了(4)。在这项研究的几乎所有领域,与马克·凯利在地球上的数据相比,合作者报告了斯科特·凯利身体在太空飞行中所特有的变化。

“我认为每个人都有一种与生俱来的能力,可以构想出超越自己一生的东西。”

梅森和他的团队发现,人体具有极强的适应力,但也容易受损。梅森说:“人体的反应非常灵敏,在应对太空飞行的危险、分子弹射和箭头方面具有很大的可塑性。”回到地球六个月后,凯利的大部分生理状况——如心血管变化、体重或微生物群组成——恢复正常。然而,那些在细胞和遗传水平上发生的不太明显的变化可能是长期的。梅森说,一个主要发现是太空飞行对斯科特·凯利的免疫系统造成的压力。他的免疫细胞释放出许多炎症信号分子。“这几乎就像身体处于高度戒备状态,”梅森说,“但它仍然有功能。”

凯利在轨道上接种了流感疫苗,数据显示免疫接种仍然有效,他的流感特异性T细胞反应与地球上的反应相比没有显著差异。此外,斯科特·凯利近9%的基因表达水平在飞行六个月后没有恢复到基线水平。这些基因包括那些与免疫功能、DNA修复、凝血和骨骼生长有关的基因。“没有闪烁的红灯,更像是黄色的灯——我们希望在未来的任务中密切关注和测量这些东西。”

与双胞胎研究无关,梅森还进行了一项研究,以探索国际空间站本身的微生物群,与纽约地铁项目类似。宇航员们在国际空间站周围的不同地点采集了棉签样本,包括宇航员宿舍、餐桌、锻炼设备的脚台以及废物和卫生隔间。在空间站上发现了近60种已知的细菌微生物。92%的人对青霉素有耐药性,尽管其他抗生素更有效。

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国际空间站上的废物和卫生舱。

摄影:Jack Fischer /美国国家航空航天局

然而,一些菌株肠杆菌属bugandensis被发现对多种抗生素药物有耐药性,值得注意的是,这些耐抗生素菌株的来源是废物和卫生隔间。通过宏基因组分析,Mason和他的同事们发现这些菌株在基因上与三种临床菌株相似大肠bugandensis已知会导致疾病,他们发现了一些抗生素抗性基因簇编码在大肠bugandensis此外,这些抗生素耐药标记是ISS菌株所特有的,在大肠杆菌中没有发现肠杆菌属来自地球的菌株。抗菌素耐药性是太空旅行和微重力的影响吗?这对人类在太空中的健康有什么影响?这些都是像梅森这样好奇的研究人员想要进一步研究的未知因素。

人类的经历

梅森的所有项目似乎都朝着比任何一个人的作品更大更伟大的方向发展。梅森说:“我认为每个人都有一种与生俱来的能力,可以构想出超越自己一生的东西。”“我喜欢人类——我认为我们是好人。我认为我们是唯一意识到灭绝的物种,因此,我有独特而天生的责任来确保这种情况不会发生。”他努力解决有关人类生存的哲学和伦理问题:我们如何在火星或土卫六上生存?人类基因组可以通过基因改造来保护我们免受太空极端环境的影响吗?如果宇宙坍塌,我们如何保存生命?虽然这看起来像是科幻小说,但梅森相信这些假设的场景最终会成为科学事实。

他的研究是他所谓的"10阶段,500年计划以便更好地理解如何在探索宇宙的过程中保护人类。Mason在大约10年前就写下了这些长期目标,他说第一阶段几乎完全实现了,因为全基因组测序的进步使基因组发现成为可能。第二阶段和第三阶段涉及合成生物学和基因组工程的使用。他说:“你应该如何做、何时做,或者是否做,这是一个非常大的伦理问题。”这影响了第四到第六阶段的工作,即进行人类在太空生存和在火星等其他行星上定居的试验。第七阶段到第九阶段探索扩大人类基因组以在更恶劣的环境中生存的想法,探索新的类地行星并在这些世界中居住。第10阶段及之后的任务是解决人类在新的太阳系上定居的问题,以及人类在宇宙中继续生存的影响。

这些远大的目标和对人类的关怀不是空谈。缩小到此时此地,梅森提到了他的职业生涯和这项工作的势头是如何因为他的辛勤工作的团队而成为可能的。他建议,要想取得好结果,关键是要随时准备好、开放地与人交流,并与他人保持接触。尽管梅森的日程安排很忙,研究也很有要求,但他还是把家庭和自我照顾放在首位,并鼓励他的团队也这样做。“生活中有很多值得热爱的东西,科学是其中之一,但还有很多其他的东西。世界上有很多水果可供采摘、品尝和享用。”毕竟,从宇宙的角度来看,我们只是小生命——只有当你有其他人分享这个世界时,这个世界才值得你去探索。

参考文献

  1. Robertson着力点.(2013)大都市地铁系统气溶胶微生物的培养无关分析。达成。环绕。Microbiol79, 3485 - 93。
  2. Leung M.H..(2014)城市地铁网络室内空气微生物群:多样性和动态。达成。环绕。Microbiol80, 6760 - 70。
  3. Afshinnekoo E。.(2015)人类和细菌多样性的城市尺度宏基因组的地理空间分辨率。电池系统1, 72 - 87。
  4. Garrett-Bakelman,远东.(2019)美国宇航局双胞胎研究:对为期一年的人类太空飞行进行多维分析。科学364, eaau8650。
  5. Urbaniak C。.(2018)与国际空间站环境表面相关的抗微生物药物耐药性基因检测。科学报告8, 814年。
  6. 辛格N.K..(2018)多重耐药肠杆菌属bugandensis从国际空间站分离的物种,并与人类致病菌株进行比较基因组分析。BMC微生物学18日,175.