Cell｜新研究阐明生活在较大细菌表面上的微小细菌的不寻常生活方式之谜

髌骨菌（Patescibacteria）是一类令人费解的微小微生物，其生存方式一直难以捉摸。科学家只能培养出几种类型的髌骨菌，但这些细菌种类繁多，存在于许多环境中。

科学家们能够在实验室中培养的少数几种髌骨菌生长在另一种更大的宿主微生物的细胞表面上。一般来说，髌骨菌缺乏制造许多生命生存所必需的分子的基因，比如构成蛋白的氨基酸、构成膜的脂肪酸和 DNA 中的核苷酸。人们由此推测，许多髌骨菌依靠其他细菌生长。

在一项新的研究中，来自美国华盛顿大学和西雅图系统生物学研究所等研究机构的研究人员首次揭示了不同寻常的髌骨菌生活方式背后的分子机制。这一突破之所以成为可能，是因为发现了一种从基因上操纵这些细菌的方法，一进展为可能的新研究方向开辟了一片天地。相关研究结果于2023年9月7日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Genetic manipulation of Patescibacteria provides mechanistic insights into microbial dark matter and the epibiotic lifestyle”。论文通讯作者为华盛顿大学医学院微生物学系教授Joseph Mougous博士。

论文共同作者、西雅图系统生物学研究所Nitin S. Baliga说，“虽然宏基因组学可以告诉我们哪些微生物生活在我们的身体上和身体内，但仅凭DNA序列并不能让我们深入了解它们的有益或有害活动，特别是对于那些以前从未表征过的生物。”

他补充说，“从基因上扰乱髌骨菌的能力为应用强大的系统分析透镜来快速描述专性附生生物（obligate epibiont）的独特生物学特性提供了可能性”。专性附生生物指的是必须依附于另一种生物才能生存的生物。

这些作者对髌骨菌感兴趣有几个原因。它们是许多不为人知的细菌之一，其 DNA 序列出现在对从环境来源的物种丰富的微生物群落中发现的基因组进行的大规模遗传分析中。这种遗传物质被称为“微生物暗物质”，因为人们对其编码的功能知之甚少。

这篇论文指出，微生物暗物质可能包含具有潜在生物技术应用的生化途径信息。它还为支持微生物生态系统的分子活动以及该系统中聚集的各种微生物物种的细胞生物学提供了线索。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.08.017。

在这项新研究中分析的髌骨菌属于Saccharibacteria细菌。它们生活在各种陆地和水域环境中，但以栖息在人类口腔中最为著名。至少从中石器时代开始，它们就是人类口腔微生物组的一部分，并与人类口腔健康有关。

在人类口腔中，Saccharibacteria需要放线菌的陪伴，放线菌是它们的宿主。为了更好地了解Saccharibacteria与其宿主的关系机制，这些作者利用基因操纵来确定Saccharibacteria生长所必需的所有基因。

Mougous说，“能够初步了解这些细菌所携带的不寻常基因的功能，我们感到非常兴奋。通过今后对这些基因的重点研究，我们希望能揭开Saccharibacteria如何利用宿主细菌生长的神秘面纱。”

这项新研究中发现的可能的宿主相互作用因素包括可能帮助Saccharibacteria附着在宿主细胞上的细胞表面结构，以及可能用于运输营养物的专门分泌系统。

这些作者的另一项研究成果是产生了表达荧光蛋白的Saccharibacteria细胞。利用这些细胞，他们对Saccharibacteria与其宿主细菌一起生长的情况进行了延时显微荧光成像。论文共同作者、Mougous实验室资深科学家S. Brook Peterson指出，“对Saccharibacteria-宿主细胞培养物的延时成像揭示了这些不寻常细菌生命周期的惊人复杂性。”

这些作者报告说，一些Saccharibacteria作为母细胞，粘附在宿主细菌细胞上，反复出芽，产生小的游动细胞后代。这些小的游动细胞继续寻找新的宿主细菌细胞。一些后代反过来成为了母细胞，而另一些则似乎与宿主细菌细胞进行着无益的相互作用。

这些作者认为，更多的基因操纵研究将为更广泛地了解他们所描述的“这些生物所蕴含的丰富的微生物暗物质储备”的作用打开一扇大门，并有可能发现尚未想象到的生物机制。

参考资料：

1. Yaxi Wang et al. Genetic manipulation of Patescibacteria provides mechanistic insight into microbial dark matter and the epibiotic lifestyle. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.08.017.

2. Genetic tools probe microbial dark matter
https://newsroom.uw.edu/news/genetic-tools-probe-microbial-dark-matter