Science：重要里程碑，牙垢揭示未知古细菌基因组和天然产物，为发现远古微生物的遗传和化学多样性探明路径- 大数跨境

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Science：重要里程碑，牙垢揭示未知古细菌基因组和天然产物，为发现远古微生物的遗传和化学多样性探明路径

生辉SynBio

2023-05-06

导读：重要里程碑。

在最新一期 Science 发表的研究中，由德国莱布尼茨天然产物研究和感染生物学研究所、马克斯·普朗克进化人类学研究所以及美国哈佛大学的研究人员领导的研究小组，从人类和尼安德特人遗骸的钙化牙菌斑中重建了以前未知细菌的基因组。利用这些遗传蓝图，科学家们建立了一个生物技术平台来恢复古代细菌的天然产物。这一结果为以前未描述的更新世细菌代谢物提供了新的见解。相关文章题为“Natural products from reconstructed bacterial genomes of the Middle and Upper Paleolithic”。

哈佛大学人类学副教授、马克斯-普朗克进化人类学研究所（MPI-EVA）组长、莱布尼兹天然产物研究和感染生物学研究所（Leibniz-HKI）Christina Warinner 博士说：“在这项研究中，我们达到了一个重要的里程碑，揭示了远古微生物的遗传和化学多样性。”

“为发现远古的天然产物规划一条道路，并为它们未来的潜在应用提供信息”。弗里德里希-席勒大学耶拿分校教授、莱布尼兹-HKI 古生物技术系主任 Pierre Stallforth 博士补充道。

微生物是自然界最伟大的化学家，而微生物天然产物的复杂结构和功能多样性使得它们成为治疗药物、抗菌剂和其他功能化合物的理想来源。然而，生产这些复杂的化学天然产物并不简单。作者指出，“要做到这一点，细菌要依靠专门的基因种类，这些基因编码的酶机制能够制造这种化学品。”

▲图丨降解 DNA 的评估和重建是一个巨大的生物信息学挑战（来源：Anna Schroll/Leibniz-HKI）

目前，对微生物天然产物的科学研究主要限于活的细菌，但鉴于细菌在地球上已经存在了 30 多亿年，过去具有治疗潜力的天然产物有巨大的多样性，我们对其却知之甚少。

该团队表示："表征由生物合成基因簇（BGC）编码并由古代微生物群落合成的天然产物，将提供对过去微生物生活方式的见解，并获得以前未知的化学、结构和功能多样性。然而，他们也表示，"对古代代谢物的直接检测和表征只取得了有限的成功。”

当一个生物体死亡时，它的 DNA 会迅速降解并分裂成许多小碎片。科学家可以通过将这些 DNA 片段与数据库进行比对来识别其中的一些片段，但事实上，大多数古代 DNA 无法与今天已知的任何序列相匹配。迄今为止，在古代微生物研究领域，大多数研究都集中在与参考基因或基因组数据库的序列比对上，从而将研究结果限制在已知分类群及其近亲上。这个问题长期以来一直困扰着科学家们。

近年来，计算方面的进步让重新组装 DNA 片段成为可能，从而得以重建未知的基因和基因组。唯一的问题是，它在处理来自更新世的高度降解和极短的古代 DNA 方面效果不佳。

经过三年的测试和优化，该研究小组取得了突破，获得了长度超过 10 万个碱基对的重建 DNA 片段，并恢复了大量的古代基因和基因组。"我们现在可以从数十亿未知的古代 DNA 片段开始，系统地将它们排列成冰河时代消失已久的细菌基因组。"研究人员说。

根据他们的研究报告，该团队专注于重建包裹在牙结石（牙垢）中的细菌基因组，这些细菌来自 12 名可追溯到约 10.2 万- 4 万年前的尼安德特人，34 名可追溯到约 3 万- 1.5 万年前的远古人类，以及 18 名现代人。

研究人员重建了 459 个细菌宏基因组组装基因组（MAGs），其中包括许多口腔细菌物种，以及那些以前没有描述过的其他物种的基因组。

作者指出，“其中有一个未知的绿菌属（Chlorobium）成员，它是一个在口腔微生物群或埋藏物中并不典型的属，其高度受损的 DNA 显示出“高龄”的特征，并且在 7 名旧石器时代人类和尼安德特人的牙齿结石中发现了它。"

研究人员解释说："已知的绿菌属成员是光合自养型专性厌氧绿硫细菌，通常在缺氧水柱中进行光合作用。”他们推测，由于绿菌属是光自养型的，牙菌斑的厌氧定植要么发生在生前，要么发生在死后不久，但在埋葬之前，曾短暂暴露在受污染的淡水源中。在古代样本中发现的所有 7 个绿菌属基因组都含有一个功能未知的生物合成基因簇。

然后，研究小组使用合成分子生物技术工具，在活的细菌中生成由古代基因编码的化学物质。这是第一次将这种方法成功地应用于古代细菌，并发现了一个新的微生物天然产物家族，研究人员将其命名为古呋喃类。结果表明，这类天然产物家族可能参与调节细菌的光合作用。

研究人员补充说："这是探索地球上过去的微生物隐藏的化学多样性的第一步，它为天然产品的发现增加了一个令人兴奋的新时间维度"。

展望未来，该团队希望利用这项技术来寻找新的抗生素。

作者写道："原则上，我们的方法可以应用于任何古代宏基因组，从而为未来的 BGC 探索和代谢物发现提供一个路线图。通过将宏基因组学、基因组挖掘、基因合成和代谢分析与 aDNA 研究领域相结合，我们为发现远古天然产物描绘了一条道路，以获得对其形成和起源的进化见解，并为其未来的潜在应用提供信息。"

参考资料：

1.https://www.genengnews.com/topics/omics/ancient-bacterial-natural-products-revived-from-neanderthal-tooth-tartar/

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