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挖掘微生物之暗物质

暗物质是指自身不发射电磁辐射,也不与电磁波相互作用的一种物质。我们不能看到,甚至感觉不到暗物质的存在。但宇宙中90%以上的物质是暗物质,我们看到的物质只占宇宙总量的5%。

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在微生物学领域,我们无法通过培养方法观察研究的微生物物种估计有85%-99%,我们能够通过培养方法来观察的微生物物种比例非常小。科学家将这些不能培养的微生物也可以类比为微生物世界的“暗物质”。对这些微生物“暗物质”的研究,目前只能采用非培养法,直接从微生物的生境中取样提取DNA或RNA,进行“指纹基因”测序、宏基因组文库构建和高通量测序等,来探知新的微生物种群、寻找新的有价值的基因。


关于微生物培养的问题,显然是因为我们没有掌握可行的培养方法,一些科学家正是在这一领域默默地进行研究,今日《自然》发表专题“开采微生物暗物质” Mining the microbial darkmatter。


RobertHeinzen教授最早通过让细菌自然生长来尝试培养Coxiella burnetii,但没有成功。Coxiella burnetii可造成一种流感样疾病,被命名为Q热(Q热乃贝纳柯克斯体所致的急性传染病,是一种自然疫源性疾病。临床上起病急,高热,多为弛张热伴寒战、严重头痛及全身肌肉酸痛。少数患者尚可出现咽痛、恶心、呕吐、腹泻、腹痛及精神错乱等表现。无皮疹,常伴有间质性肺炎、肝功能损害等,外斐试验阴性。急、慢性Q热分别由贝纳柯克斯体的不同株所引起。)。


这种C burnetii细菌正常情况下只能在感染细胞内分裂增殖,这迫使科学家用哺乳动物组织作为培养条件,这种极端的培养条件极大地影响了科学家对该细菌的研究进度。Heinzen在1990年代博士后工作期间就试图解决这一难题,寻找建立替代的培养方法。虽然进行了大量尝试,他当时并没有取得获得成功。


情况在2003年开始出现转机,当时他正准备启动汉密尔顿的NIH落基山实验室时,C. burnetii细菌基因组被测序,Heinzen估计细菌基因组或许能提供关于细菌代谢生长方面的重要线索。于是他委派自己的博士后Anders Omsland用了4年时间系统检测了几百种培养条件,以建立这种细胞的细胞外培养方法。刚开始拿到结果时,他不相信是真的,认为可能是被其他细菌污染,但经过几个月反复确认,他认为确实成功培养出了这种细菌。2009年终于在PNAS上发表了论文。


Coxiellaburnetii被成功培养,可惜这种情况非常少见。估计8599%的细菌无法被培养,这极大地阻碍了科学家对这些细菌进行系统深入研究,导致许多潜在的新抗生素无法被发现,细菌之间经常利用抗生素这种武器相互制约,无法大量培养,让科学家无法了解这些抗生素武器的具体情况。


目前细菌耐药问题越来越突出,促使人们重新将目光锁定在细菌培养这一陈旧的微生物学技术。上个月WHO批准一项全球攻克抗生素耐药问题的计划,英国政府一个调查委员会号召全球医药公司投资13亿欧元的抗生素研究计划。为发现新抗生素,科学家说需要解决对无法培养细菌的培养方法问题。


不少科学家已经在这方面取得了一些成就,一些先进的培养方法和技术帮助他们解决了部分过去无法培养细菌的培养难题,DNA序列测定和生物信息学技术的进步也给这些细菌的研究提供了重要参考信息,提供了在不培养情况下开展深入研究的资料。比较突出的进展是科学家在土壤、海底、大洋深处热泉和人体内发现多种新的细菌类型,也发现了一些新的抗生素。不过科学家认为这只不过是冰山一角,关于细菌的研究任重道远,也充满大量未知。


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