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。
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。
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。