添加到海洋原生生物（左）的基因在熒光顯微鏡下顯示為綠點(diǎn)（右）。

圖片來源：YOSHIHISA HIRAKAWA/日本筑波大學(xué)

全球50%的氧氣都是由海洋微生物產(chǎn)生。然而，這些微小的海洋生物在很大程度上仍然是科學(xué)界的一個謎。4月6日發(fā)表在《自然—方法學(xué)》的研究稱，在全球100多名研究人員的努力下，科學(xué)家們找到了一種通過細(xì)胞和基因技術(shù)解開部分海洋生物細(xì)胞基因組的方法。

未參與該研究的法國索邦大學(xué)國家研究機(jī)構(gòu)CNRS海洋生物學(xué)家Angela Falciatore表示，這項研究“將推動浮游生物生物學(xué)的進(jìn)步”。她說，這些進(jìn)展可能有助于了解生命的早期進(jìn)化，甚至有可能幫助我們開發(fā)出新的抗生素。

海洋浮游生物是一種無形的生命，它們出現(xiàn)時會把海域染成藍(lán)色、綠色甚至是紅色。有些浮游生物是單細(xì)胞結(jié)構(gòu)，稱為原生生物，它們像植物一樣，利用光將二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣。原生生物不僅提供我們呼吸需要的氧氣，它們同時也是大型浮游生物的食物，而這些大型浮游生物又成為無脊椎動物和魚類的食物。

未參與該研究的德國康斯坦茨大學(xué)藻類生物學(xué)家Peter Kroth說：“有大量未經(jīng)探索的原生生物對這些生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大影響。”

2015年，戈登和貝蒂·摩爾基金會（一個支持微生物和環(huán)境基礎(chǔ)研究的慈善組織）向研究人員提供了800萬美元研究經(jīng)費(fèi)，以填補(bǔ)這一知識空缺。在對動物、植物、酵母和細(xì)菌的一系列研究中，當(dāng)科學(xué)家修改生物體的細(xì)胞基因時，他們發(fā)現(xiàn)了這些細(xì)胞基因是如何發(fā)揮作用的重要線索。

最終，研究人員匯集了他們的專業(yè)知識和洞察力，挑選了39個物種進(jìn)行研究。這些被研究的對象大都是在經(jīng)濟(jì)上的可能會對漁業(yè)和娛樂休閑業(yè)造成災(zāi)難性后果的微生物，如赤潮，還有一些是代表了原生生物家族的不同分支。

研究人員收集了一些微生物，這些微生物主要來自沿海地區(qū)的水域，然后再嘗試如何培育每一種物種，最后對不同的營養(yǎng)成分和溫度進(jìn)行了測試，以確定哪種方法最有效。

為了探索這些基因，科學(xué)家們不得不嘗試將外源DNA導(dǎo)入其中，這是一個非常大膽的嘗試。他們發(fā)現(xiàn)，有時射出包裹著DNA的微小金粒子或鎢粒子是使DNA通過細(xì)胞膜最有效的方法。有時用電擊穿細(xì)胞膜，使細(xì)胞膜滲漏，用這樣的方法可以將DNA擠進(jìn)細(xì)胞。下一步是讓這一部分DNA成為細(xì)胞基因組的一部分，或者至少被翻譯成蛋白質(zhì)。

細(xì)胞基因進(jìn)入后開始制造蛋白質(zhì)。有時細(xì)胞的防御措施會將其消滅，有時通常用于基因工程的酶在低溫下不起作用，研究人員不得不尋找新的酶來完成這項工作Falciatore說：“世界上沒有任何一個組織能夠獨(dú)自面對這些技術(shù)挑戰(zhàn)。”

研究人員總共給13個物種添加了基因，其中包括一種會用其毒素殺死魚類的原生生物，還有一種也會感染軟體動物和兩棲動物。

這項工作有助于揭示原生生物是如何工作的。通過改變他們的DNA并監(jiān)測原生生物的行為、功能或生化變化，研究人員開始了解這些基因的作用。例如，影響原生生物抵抗細(xì)菌能力的基因可能編碼蛋白質(zhì)，從而為人類制造新的抗生素。

而在遠(yuǎn)親原生生物中做同樣事情的基因很可能代表了在早期祖先中已經(jīng)存在的基因，這為原生生物的進(jìn)化提供了線索。Kroth說：“我的實驗室肯定會受益。”

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41592-020-0796-x