科学家发现能将有毒物质变成食物的酶

科学家发现能将有毒物质变成食物的酶现在发表在《自然-化学生物学》上的研究对象是两种海洋嗜热的甲烷菌。Methanothermococcusthermolithotrophicus（生活在65℃左右的地热沉积物中）和Methanocaldococcusjannaschii（喜欢85℃左右的深海火山）。它们通过产生甲烷获得细胞能量，并以其环境中存在的硫化物形式获得生长所需的硫。虽然硫化物对大多数生物来说是一种有毒物质，但它对甲烷菌来说是必不可少的，它们甚至可以容忍高浓度的硫化物。然而，它们的致命弱点是有毒和活性的硫化合物亚硫酸盐，它破坏了制造甲烷所需的酶。在它们的环境中，这两种被调查的生物体偶尔会接触到亚硫酸盐，例如，当氧气进入并与还原的硫化物反应时。它的部分氧化会导致亚硫酸盐的形成，因此，甲烷菌需要保护自己。但它们如何才能做到这一点呢？MarionJespersen与纯化的依赖F420的亚硫酸盐还原酶（Fsr）。黑色的颜色来自于参与反应的所有铁。实验是在厌氧室和人工光源下进行的，以保护酶不受氧气和日光的影响。资料来源：特里斯坦-瓦格纳/马克斯-普朗克海洋微生物学研究所来自德国不来梅的马克斯-普朗克海洋微生物研究所的MarionJespersen和TristanWagner，以及来自凯泽斯劳滕大学的AntonioPierik，现在提供了一个解毒亚硫酸的酶的快照。这种蝴蝶状的酶被称为依赖F420的亚硫酸盐还原酶或Fsr。它能够将亚硫酸盐转化为硫化物--一种甲烷菌生长所需的安全硫源。Jespersen和她的同事描述了该酶的工作原理。Jespersen解释说："该酶捕获亚硫酸盐，并直接将其还原为硫化物，例如，它可以被纳入氨基酸中，因此，甲烷菌不会中毒，甚至使用该产品作为其硫源。他们把有毒物质转化成了食物！"这听起来很简单。但事实上，Jespersen和她的同事们发现，他们所处理的复杂的重叠现象。"亚硫酸盐的还原有两种方式：异化和同化"，Jespersen解释说。"研究中的生物体使用了一种酶，它的构造类似于异化作用的酶，但它使用的是同化作用机制。可以说，它结合了两个世界的优点，至少对它的生活条件来说是如此"。据推测，来自异化和同化途径的酶都是从一个共同的祖先演变而来的。位于不来梅的马克斯-普朗克研究所的马克斯-普朗克研究小组微生物代谢负责人特里斯坦-瓦格纳补充说："亚硫酸还原酶是古老的酶，对全球硫和碳循环有重大影响。这种名叫Fsr的酶可能是这种古老的原始酶的一个快照，是进化过程中一个令人兴奋的回顾"。Fsr不仅开启了进化的意义，而且使我们能够更好地了解海洋微生物的迷人世界。只能在亚硫酸盐上生长的甲烷菌规避了使用危险的硫化物，即它们通常的硫磺底物。"这为研究这些重要的微生物提供了更安全的生物技术应用机会。"瓦格纳说："一个最佳的解决方案是找到一种能够还原硫酸盐的甲烷生成物，它便宜、丰富，而且是完全安全的硫源。"事实上，这种甲烷生成物已经存在，它就是Methanothermococcusthermolithotrophicus。研究人员假设，Fsr协调了这个硫酸盐还原途径的最后一个反应，因为它的中间产物之一将是亚硫酸。"我们的下一个挑战是了解它如何将硫酸盐转化为亚硫酸盐，以全面了解这些神奇的微生物的能力"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1344481.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1344481.htm

研究发现病毒会增强海洋的碳捕获能力

研究发现病毒会增强海洋的碳捕获能力基于网络的生态互动分析表明，北极和南极地区RNA病毒物种的多样性高于预期。基因组分析的进展通过将基因组测序数据与人工智能分析相结合，研究人员发现了海洋病毒，并对其基因组进行了评估，发现它们从其他微生物或细胞中"窃取"了处理海洋中碳的基因。通过绘制微生物代谢基因（包括水下碳代谢基因）图谱，研究人员发现全球海洋中有340种已知的代谢途径。其中，有128种还存在于海洋病毒的基因组中。俄亥俄州立大学微生物学教授兼微生物组科学中心主任马修-沙利文（MatthewSullivan）说："这个数字如此之高，让我感到震惊。"通过计算技术的进步，研究小组挖掘出了这一巨大的数据宝库，现在已经揭示了哪些病毒在碳代谢中发挥作用，并将这一信息用于新开发的群落代谢模型，以帮助预测如何利用病毒来设计海洋微生物群，从而实现更好的碳捕获。沙利文说："建模是为了了解病毒是如何提高或降低系统中的微生物活性的。群落代谢建模告诉我一个梦寐以求的数据点：哪些病毒以最重要的代谢途径为目标，这很重要，因为这意味着它们是很好的杠杆。"昨天（2024年2月17日），沙利文在丹佛举行的美国科学促进会年会上介绍了这项研究。碳捕获病毒工程苏利文是塔拉海洋联合会（TaraOceansConsortium）的病毒研究协调人，该联合会是一项为期三年的全球性研究，研究气候变化对世界海洋的影响，并收集了35000份含有丰富微生物的水样。他的实验室主要研究噬菌体（感染细菌的病毒）及其在工程框架中的放大潜力，以操纵海洋微生物将碳转化为最重的有机物，沉入海底。"海洋会吸收碳，这可以缓冲气候变化。二氧化碳作为气体被吸收，并由微生物将其转化为有机碳，"沙利文说。"我们现在看到的是，病毒以这些微生物群落代谢中最重要的反应为目标。这意味着我们可以开始研究哪些病毒可以用来将碳转化为我们想要的那种碳。换句话说，我们能否加强这个巨大的海洋缓冲区，使其成为碳汇，为应对气候变化争取时间，而不是将碳释放回大气层，加速气候变化？"2016年，塔拉团队确定海洋中的碳下沉与病毒的存在有关。人们认为，当受病毒感染的碳处理细胞聚集成较大的粘性聚合体并掉落到海底时，病毒有助于碳的下沉。研究人员开发了基于人工智能的分析方法，从数以千计的病毒中找出少数"VIP"病毒，在实验室中进行培养，并将其作为海洋地球工程的模型系统。塔拉海洋联合会的达米安-埃维拉德（DamienEveillard）教授开发的这种新的群落代谢模型，有助于他们了解这种方法可能会产生哪些意想不到的后果。沙利文的实验室正在吸取这些海洋方面的经验教训，并将其应用到人类环境中的病毒微生物组工程中，以帮助脊髓损伤后的康复、改善感染艾滋病毒的母亲所生婴儿的预后、对抗烧伤伤口的感染等。海洋以外的应用土木、环境和大地工程学教授沙利文说："我们正在进行的对话是，'这其中有多少是可以转换的？'我们的总体目标是对微生物组进行工程设计，使其朝着我们认为有用的方向发展。"他还报告了在一个完全不同的生态系统中使用噬菌体作为地球工程工具的早期努力：瑞典北部的永久冻土带，那里的微生物既能改变气候，又能在冻土融化时对气候变化做出反应。俄亥俄州立大学微生物学副教授弗吉尼亚-里奇（VirginiaRich）是美国国家科学基金会资助的EMERGE生物集成研究所的联合主任，该研究所设在俄亥俄州立大学，负责组织瑞典野外现场的微生物组科学研究。里奇还共同领导了之前的研究，该研究发现解冻的永久冻土层土壤中的单细胞生物是甲烷（一种强效温室气体）的重要生产者。里奇与新罕布什尔大学的露丝-瓦尔纳（RuthVarner）共同组织了美国科学院会议，后者是EMERGE研究所的共同负责人，该研究所的工作重点是更好地了解微生物群如何应对永久冻土融化以及由此产生的气候相互作用。沙利文的演讲题目是"从生态系统生物学到用病毒管理微生物组"，是在题为"以微生物组为目标的生态系统管理"的会议上发表的：小角色，大作用"的会议上发表的。海洋方面的工作得到了美国国家科学基金会、戈登和贝蒂-摩尔基金会以及塔拉海洋公司的支持，除美国国家科学基金会外，土壤方面的工作也得到了能源部和格兰瑟姆基金会的资助。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1418989.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1418989.htm

揭开微生物暗物质的秘密：神秘的棒状杆菌世界

揭开微生物暗物质的秘密：神秘的棒状杆菌世界扫描电子显微照片显示，紫色的小棒状杆菌细胞生长在大得多的细胞表面。西雅图华大医学中心约瑟夫-穆格斯（JosephMougous）实验室领导的新研究揭示了它们的生命周期、基因，以及它们不同寻常的生活方式背后的一些分子机制。这些附生细菌是Southlakiaepibionticum。图片来源：YaxiWang、WaiPangChan和ScottBraswell/华盛顿大学研究人员能在实验室培养的少数几种棒状杆菌寄生在另一种更大的宿主微生物的细胞表面。一般来说，棒状杆菌缺乏制造许多生命必需分子所需的基因，如构成蛋白质的氨基酸、形成膜的脂肪酸和DNA中的核苷酸。研究人员由此推测，许多无脊椎动物依靠其他细菌生长。在最近发表于《细胞》（Cell）的一项研究中，研究人员首次揭示了不同寻常的棒状杆菌生活方式背后的分子机制。这一突破得益于对这些细菌进行基因操纵的方法的发现，这一进展为可能的新研究方向开辟了一片天地。西雅图系统生物学研究所的尼廷-S-巴利加（NitinS.Baliga）说："虽然元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被表征过的生物。"表生细菌研究员拉里-A-加拉格尔（LarryA.Gallagher）在华盛顿大学医学院微生物实验室的显微镜前。图片来源：S.BrookPeterson/华盛顿大学他补充说："从基因上扰乱棒状杆菌的能力为应用强大的系统分析透镜来快速描述强制性附生生物的独特生物学特性提供了可能性。"这项研究背后的团队由华盛顿大学医学院微生物学系约瑟夫-穆格斯（JosephMougous）实验室和霍华德-休斯医学研究所（HowardHughesMedicalInstitute）领导。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。《细胞》杂志的论文指出，微生物暗物质可能含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。在这项最新研究中分析的棒状杆菌属于糖杆菌（Saccharibacteria）。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群的一部分，并与人类口腔健康有关。在人的口腔中，糖杆菌需要放线菌的陪伴，放线菌是它们的宿主。为了更好地了解酵母菌与宿主的关系机制，研究人员利用基因操作来确定酵母菌生长所必需的所有基因。西雅图华盛顿大学医学院微生物实验室厌氧工作站，附生细菌研究员王雅茜。图片来源：S.BrookPeterson/华盛顿大学微生物学教授穆格斯（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，我们希望能揭开糖细菌如何利用宿主细菌生长的神秘面纱"。研究中发现的可能的宿主相互作用因素包括可能帮助糖杆菌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质的专门分泌系统。作者工作的另一项应用是生成了表达荧光蛋白的酵母菌细胞。利用这些细胞，研究人员对糖杆菌与宿主细菌一起生长的情况进行了延时显微荧光成像。穆格斯实验室的资深科学家布鲁克-彼得森（S.BrookPeterson）指出："对糖杆菌-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。"研究人员报告说，一些酵母菌作为母细胞，粘附在宿主细胞上，反复出芽，产生小的后代。这些小家伙继续寻找新的宿主细胞。一些后代反过来成为了母细胞，而另一些则似乎与宿主进行着无益的互动。研究人员认为，更多的遗传操作研究将为更广泛地了解他们所描述的"这些生物体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。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382839.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382839.htm

专家不认同人类婴儿在出生前就被细菌感染的说法

专家不认同人类婴儿在出生前就被细菌感染的说法之前关于人类胎盘和羊水通常被细菌定植的说法，如果是真的，将对临床医学和儿科产生严重影响。它还会破坏免疫学和生殖生物学的既定原则。为了研究这些说法，UCC&APC首席研究员延斯-沃尔特教授组建了一个跨学科团队，由来自世界各地的46名生殖生物学、微生物组科学和免疫学方面的顶尖专家组成，以评估人类胎儿中微生物的证据。一个健康的人类胎儿是无菌的该团队一致驳斥了胎儿微生物组的概念，并得出结论，在胎儿组织中检测到的微生物组是由于从子宫中提取的样本被污染所致，污染发生在阴道分娩、临床程序或实验室分析期间。在《自然》杂志的报告中，国际专家鼓励研究人员把研究重点放在母亲及其新生儿的微生物组以及穿越胎盘的微生物代谢物上，这些代谢物为胎儿在微生物世界中的产后生活做准备。据Walter教授介绍。"这一共识为该领域的发展提供了指导，使研究工作集中在最有效的地方。知道胎儿处于无菌环境中，证实了细菌的定植发生在出生时和产后早期，这正是调节微生物组的治疗性研究应该集中的地方"。国际专家作者还就未来科学家如何在分析其他预计没有微生物或存在水平较低的样本（如人体内部器官和组织）时避免污染的陷阱提供了指导。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1340965.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1340965.htm

科学家发现 CRISPR-Cas 系统的潜在新功能

科学家发现CRISPR-Cas系统的潜在新功能研究小组最近在《自然-微生物学》（NatureMicrobiology）杂志上发表了他们的研究成果。亚历山大-普罗斯特博士图片来源：UDE/BettinaEngel-Albustin2020年，生物化学家埃马纽埃尔-夏彭蒂耶（EmmanuelleCharpentier）和詹妮弗-杜德娜（JenniferDoudna）因将CRISPR-Cas系统（或称"基因剪刀"）应用于基因工程的生物技术而获得诺贝尔奖。然而，这种基因工具的许多功能至今仍未被探索。例如，微生物能否利用它们来对抗寄生在它们身上的其他微生物？带着这个研究问题，亚历山大-普罗普斯特分析了地壳深处微生物的遗传物质。地球上70%以上的微生物都生活在深层生物圈中。如果我们想了解地球上的多样性，就值得深入研究，他解释道。这位微生物学家和他的团队一起分析了美国一个间歇泉从深海吐到地面的水，以及日本堀之部地下实验室的样本。研究小组重点研究了古细菌，它们作为宿主和寄生虫生活在生态系统中。这种微小的微生物在细胞大小上与细菌极为相似，但生理特性却大相径庭。他们的基因组分析结果提供了新的见解：宿主附近的寄生虫明显很少，而且宿主对寄生虫表现出遗传抗性。研究人员从微生物基因组中的基因剪刀中发现了其中的原因。"在进化过程中，古细菌吸收了寄生虫的DNA。如果带有相同DNA的寄生虫现在攻击生物体，外来遗传物质可能会被CRISPR系统识别并分解，"普罗普斯特解释道。这位微生物学家是分析环境样本中遗传物质的专家，他的实验室采用了最新的方法，如牛津纳米孔技术，该技术可以对遗传物质进行快速、全面的测序。为了排除他们只是遇到个别情况的可能性，研究人员将分析范围扩大到7000多个基因组，并观察到这种现象非常频繁。在未来的研究中，这一发现还将有助于区分有益的共生体和有害的寄生虫。如果存在CRISPR识别，那么该微生物就很有可能是寄生虫。这或许还将有助于今后更好地理解重要的新陈代谢过程，如生态系统中的碳流。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374597.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374597.htm

苏必利尔湖神秘的硫循环：打开地球的历史之窗

苏必利尔湖神秘的硫循环：打开地球的历史之窗一项关于模仿远古地球海洋的苏必利尔湖硫循环的研究揭示了一种新的硫循环，强调了有机硫的作用。这一发现加深了我们对地球早期化学和微生物生命进化的了解。幸运的是，苏必利尔湖缺乏营养的水域为我们提供了一瞥过去的机会。菲利普斯曾是加州大学圣巴巴拉分校和明尼苏达大学德卢斯分校的博士后研究员，她表示，这是一个很好的窗口。她和合著者在湖中发现了一种新型硫循环。他们的研究结果发表在《湖沼学与海洋学》（LimnologyandOceanography）杂志上，重点关注有机硫化合物在这一生物地球化学循环中发挥的作用。了解硫酸盐和硫化氢硫酸根离子（SO4）是环境中最常见的硫形式，也是海水的主要成分。在缺乏氧气的海洋和湖泊底部，一些微生物通过将硫酸盐转化为硫化氢（H2S）来维持生计。硫化氢的去向很复杂：它可以在呼吸过程中被微生物迅速消耗掉，也可以在沉积物中保留数百万年。将硫酸盐转化为硫化氢是一种历史悠久的职业；基因组证据表明，微生物至少在30亿年前就开始这样做了。苏必利尔湖贫硫酸盐的水域可以让人们了解地球早期海洋的生物化学。图片来源：亚历山德拉-菲利普斯但科学家们认为，硫酸盐直到大约27亿至24亿年前才开始变得丰富，当时新进化的蓝藻的光合作用开始向海洋和大气中输送大量氧气。那么，这些远古微生物从哪里获得硫酸盐呢？亚历山德拉-菲利普斯（AlexandraPhillips）是一位海洋和气候科学家，精通海洋学、地球化学和地球生物学。她的研究重点是海洋和湖泊中的有机硫，以及社交媒体如何为STEM领域的女性树立多样化的榜样。菲利普斯还是一名科学传播者和政策官员。有机硫的意义为了解决这个难题，菲利普斯将目光转向了有机硫，即硫与碳化合物结合的分子。这些分子包括硫脂和含硫氨基酸。在现代海洋中，硫酸盐的含量几乎是有机硫的一百万倍。她说："但在一个硫酸盐含量并不高的系统中，突然间有机硫就变得重要多了。"资深作者、明尼苏达大学大湖天文台教授谢尔盖-卡特瑟夫（SergeiKatsev）说："长期以来，我们的思维都被从现代海洋中学到的知识所主导，因为现代海洋富含硫酸盐。Katsev是美国国家科学基金会资助项目的资深科学家。然而，要了解早期地球，就需要研究硫酸盐稀缺时出现的过程，而这正是有机硫能够改变整个范式的地方"。古代海洋的模型苏必利尔湖的硫酸盐含量非常低，几乎是现代海洋的千分之一。菲利普斯说："就硫酸盐而言，苏必利尔湖看起来更接近数十亿年前的海洋，可能有助于我们了解我们无法回到过去直接观察到的过程。早期海洋的硫酸盐含量非常低，因为可用于形成二氧化硫的游离氧要少得多。"大湖是古代海洋的模拟物，使菲利普斯能够看到硫循环在当时类似的化学条件下是如何进行的。她想到了三个问题：如果硫酸盐还原正在发生，是哪些微生物在起作用？如果有机硫为这一过程提供了燃料，那么微生物喜欢哪种类型的化合物？产生的硫化氢会发生什么变化？菲利普斯和她的合作者前往苏必利尔湖，追踪有机硫从源到汇的过程。研究小组从两个地点将水和沉积物样本带回实验室进行分析：一个地点的沉积物中有充足的氧气，另一个地点则没有。硫酸盐还原通常发生在环境缺氧的地方。氧气是一种很好的资源，因此生物在可能的情况下更愿意使用氧气而不是硫酸盐。研究小组利用散弹枪元基因组学寻找带有参与硫酸盐还原基因的微生物。他们在沉积物中硫酸盐含量达到峰值的地层中发现了大量微生物。他们总共发现了八个硫酸盐还原类群。调查有机硫偏好研究人员随后开始确定微生物偏好哪种有机硫。他们为不同的微生物群落提供了不同形式的有机硫，并观察了结果。作者发现，微生物产生的大部分硫酸盐来自硫脂，而不是硫氨基酸。虽然这个过程需要一些能量，但比微生物随后将硫酸盐还原成硫化氢所获得的能量要少得多。硫脂不仅是这一过程的首选，而且在沉积物中也更为丰富。硫脂是由其他微生物群落产生的，它们死亡后会漂到湖底。在回答了"谁"和"如何"的问题后，菲利普斯将注意力转向了硫化氢的去向。在现代海洋中，硫化氢可与铁反应生成黄铁矿。但它也能与有机分子发生反应，生成有机硫化合物。她说："我们发现，湖中有大量的有机物硫化，这着实让我们感到惊讶。有机硫不仅是硫循环的助推源，也是硫化氢的最终汇。新颖的硫循环这种循环--从有机硫到硫酸盐再到硫化氢--对研究人员来说是全新的。菲利普斯说："研究水生系统的科学家需要开始把有机硫作为一个核心角色来考虑。这些化合物可以在苏必利尔湖等营养贫乏的环境甚至远古海洋中推动硫循环。""在硫酸盐含量较高的系统中，这一过程可能也很重要。有机硫循环，就像我们在苏必利尔湖看到的那样，在海洋和淡水沉积物中可能无处不在。但在海洋中，硫酸盐的含量非常丰富，以至于它的行为掩盖了我们的大部分信号，"资深作者、加州大学圣巴巴拉分校生物地球化学家摩根-拉文（MorganRaven）说。"在低硫酸盐的苏必利尔湖工作，让我们看到了沉积有机硫循环的真正动态。有机硫似乎可以作为微生物群落的能量来源，并保存有机碳和分子化石。这些因素结合在一起，可以帮助科学家了解早期硫循环微生物的进化及其对地球化学的影响。"菲利普斯补充说，一些最早的生化反应可能涉及硫。"我们确信，硫在真正早期的新陈代谢中发挥了重要作用。更好地了解硫循环可以让人们了解早期生命形式是如何利用这种氧化还原化学反应的。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398005.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398005.htm