Nature Biotech：破译土壤宏基因组，发现新型抗生素

大多数细菌无法在实验室中培养——这对医学来说是个坏消息。许多一线抗生素都源自微生物，然而随着抗生素耐药性扩大和药物研发管道枯竭，我们脚下的土壤中蕴藏着巨大的未开发化合物宝库。

如今，洛克菲勒大学的研究人员开发出一种方法来开采这座微生物金矿。他们无需在实验室中培养细菌，而是直接从土壤中提取超大片段的DNA，拼接成以往未知的微生物基因组，然后从中挖掘出生物活性分子。

仅凭一片森林的样本，研究人员就生成了数百个前所未见的完整细菌基因组，并发现了两种新的候选抗生素。

这项成果于9月12日发表在《Nature Biotechnology》杂志上，为从无法培养的细菌中寻找新的候选药物提供了一种可扩展的方法。

微生物暗物质

在寻找细菌时，土壤是理所当然的选择。仅一匙土壤就可能包含数千种不同的细菌。许多重要的药物，包括大部分抗生素，都源自实验室中能培养的极小部分土壤细菌。而且，土壤价格极其低廉。

然而，我们对地球上的数百万种微生物知之甚少。科学家们推测，这些细菌不仅蕴藏着未开发的新疗法，还有助于人们了解微生物如何影响气候、农业以及我们赖以生存的环境。

为了开发这一资源，研究团队整合了多种方法。首先，他们优化了一种方法，能够直接从土壤中分离高质量的DNA大片段。之后，将这种方法与新兴的长读长纳米孔测序技术相结合。

他们利用这种方法来分析单份土壤样本的宏基因组，N50读长超过30 kbp，相当于目前常用的150 bp短读长技术的200倍。

通讯作者、洛克菲勒大学的Sean F. Brady解释说：“与数百万个小片段相比，用更大的DNA片段来组装完整基因组要容易得多。这会极大地提升你对结果的信心。”

细菌产生的独特小分子（如抗生素）被称为“天然产物”。为了将新组装的序列转化为生物活性分子，研究团队采用一种合成生物信息学天然产物（synBNP） 方法。

他们利用生物信息学方法，直接利用基因组数据来预测天然产物的化学结构，然后在实验室中进行化学合成。利用synBNP方法，Brady及其同事成功发现了两种强效抗生素。

Brady认为，这种三步策略有望开启微生物学的新时代：“分离大分子DNA，对其进行测序，并通过计算将其转化为有用的东西”。这种方法具有可扩展性，适用于土壤以外的几乎任何宏基因组分析。

两种候选药物

通过单份森林土壤样本的分析，研究人员获得了数百个连续的细菌完整基因组，其中超过99%对科学界来说是全新的。他们还鉴定出细菌谱系树16个主要分支的成员。

他们发现的两种候选化合物有望转化为抗生素。其中，一种名为erutacidin的化合物通过与心磷脂的相互作用来破坏细菌膜，有望对付最棘手的耐药细菌。另一种名为trigintamicin的化合物作用于ClpX蛋白酶，这是一种罕见的抗菌靶点。

Brady强调，这些发现仅仅是个开始。这项研究表明，无需培养微生物即可大规模破译此前无法获取的微生物基因组，并从中挖掘生物活性分子。

解锁微生物“暗物质”的遗传潜力，或许还能为了解维持生态系统的隐秘微生物网络提供新见解。