微小万物,中国测序

【字体: 时间:2009年08月19日 来源:新京报

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  在参与国际人类基因组计划、绘制出世界第一个黄种人基因序列图谱、参与“国际千人基因组计划”之后,中国的基因研究者们又踏上了新的征途。近日,由深圳华大基因研究院、华南理工大学、南京工业大学和中国农科院生物技术研究所倡导,以深圳华大基因研究院为核心的“协作组”正式宣布一个听起来就很吓人的“万种微生物基因组计划”。这么大的计划真的能完成吗?带着这些疑问,记者专程来到深圳华大基因研究院。



  1  启动  “万种”计划为气魄



  深圳华大基因研究院位于深圳临海的盐田区。在深圳华大基因研究院大楼中,记者看到一张张年轻的面孔。带记者参观的总部办公室蒋女士说,这里员工的平均年龄不到26岁,而即将接受记者专访的“万种微生物基因组计划”项目总监秦楠只有30岁。蒋女士把秦楠称为“秦博士”,让人想起手塚治虫笔下的“怪医秦博士”。



  秦楠和漫画中的秦博士一样年轻俊朗,但是远没有那么“酷”。他表示,“基因组计划”就是绘制基因序列图谱的计划,也叫“基因测序”,或者“测定基因序列”的计划,俗话也叫“做XXX的基因”,意思就是把组成基因组的碱基对都列出来。



  那么,“为什么是‘万种’计划”呢?秦楠说,2008年1月,华大基因研究院和国际同行提出“国际千人基因组计划”。人的基因组有30亿个碱基对,但是微生物的基因比人的要少得多,大约有人的千分之一左右,现在华大基因已经做了400种左右,所以提出一个“百种”或者“千种”规模显得太小了。所以,他们就将这个计划命名为“万种”。最终不一定做一万种,可能会做到万种以上。



  那么,能找到一万种来做基因测序吗?要知道,一般人能说出的微生物名称,也就是一二十个而已。“当然可以。”秦楠说,“现在知道的已经有上百万种。在海底、极地等处还可能有大量未被发现的微生物。”



  2  进程  基因组时代刚开始



  我们对动物分类学比较熟悉,要确定“一种”动物,只要知道它有独特的样子就可以了,那么“一种”微生物是什么意思呢?秦楠说,在微生物DNA内有一段大约包含1500个碱基的基因序列叫“16SrDNA”。现在研究者主要通过这个序列来给微生物分类。基因组很长,每一段分管不同的功能,它们往往是可变的,但是“16SrDNA”这一段就非常保守,在演化中一直就不能动,如果动了就影响了它的代谢,可能导致死亡。所以,大家一直以这一段作为微生物分类的依据。



  那么,在基因组测序技术出现之前,人们是怎么对微生物分类的呢?秦楠说,在此之前就看微生物的形态,还有出芽生殖之类的习性。如果是病原菌的话,还看它引起的症状。在上世纪50年代,美国科学家、深圳华大基因研究院的顾问詹姆斯·沃森发现了DNA的双螺旋结构。从上世纪70年代之后基因生物学已经介入到微生物的分类里了,上世纪八九十年代微生物研究进入分子生物学阶段,而2005年“人类基因组计划”完成之后,微生物研究就进入了基因组阶段。有人提出所谓的“后基因组时代”,也就是在人类基因组序列完成之后的时代。秦楠说这是“不准确的说法”,其实“基因组时代”才刚刚开始,各种生物的基因组测序工作还是一片广阔的处女地,等待科学家的探索开发。



  3  个案  鼠疫菌也是研究对象



  秦楠说,他们预计3年内完成一万种左右的微生物的基因组测序。测序工作本身难度并不是最大的,如果现在已经把这“一万种”放在这里,那么几个月就能完成这项工作,难的是采集这些DNA样本。



  这些微生物DNA样本又是如何得到的呢?秦楠说,这主要靠和其他单位的合作。病原菌方面主要是和军事医学科学院合作,比如说最近在青海发生的肺鼠疫,他们就从患者身体里取出肺鼠疫细菌,通过培养提取出它的DNA,然后进行测序。他们也会为中国各个时期、各个地点发生的肺鼠疫进行DNA测序,还跟中国疾控中心合作对霍乱病菌进行DNA测序。



  这么做是因为科学家想知道这些疾病是怎么演化来的。比如说,科学家发现美国1924年爆发的鼠疫的病菌和在我国福建发现的病菌很相似。这种病菌可能是从中国传到美国的。



  那么,如何从一大堆乱七八糟的微生物中提取某种病原菌呢?秦楠说,提取微生物标本采用“纯培养”的方法。先把那些从患者身体中取出来的体进行培养,培养出一大堆东西,然后把它们稀释,最终稀释到其中只有一种单一菌群,再把它们取出来制成标本。



  记者不禁环顾四周:“这里有鼠疫病菌吗?”秦楠说,华大基因研究院里并没有存放危险微生物的原始菌株,只存放有它们的DNA。那些菌株都在疫病发生当地的保存中心保存,不许带出当地的。所以,工作人员都是在当地先提取DNA,然后再寄回研究院。提取DNA的方法是:把细胞弄碎,然后用离心法把比较重的DNA和比较轻的蛋白质膜分离开来。一次至少要5微克,才能做DNA测序。太少了可能就做不了。实际操作中,一般都要提取上百微克的DNA。



  4  合作  “茅台”也是合作单位



  微生物分成“古细菌、细菌、真菌、原生生物、藻类、病毒”几大类,但“万种微生物基因组计划”的工作安排并不按照这种生物学的分类进行。这个项目按照微生物与人类活动的关系,将它们大致分成三类:工业微生物、农业微生物和医学微生物。而微生物的样本主要由其他企业和研究单位提供。这三类微生物的种类分配都是差不多的,大约是1:1:1。



  很多单位都想参与到这个项目中。比如以食品工程见长的江南大学主要对工业微生物感兴趣;新疆农科院提供了一些核爆炸现场微生物的样品;海洋三所则在大洋中采集了很多微生物……



  茅台酒集团也参与了这个项目的工作。该集团在茅台镇之外建的酒厂,都酿不出“茅台那个味儿”。因此大家一直认为茅台镇的水、空气、土壤或者酿酒原料里面有一些特殊的微生物。为了解开这个谜题,他们也积极参与了这个“万种”计划。“如果这种‘特殊’的微生物被找到的话,任何地方就都可以生产茅台酒了,那利润就大了。”



  (深圳华大基因研究院参与的多项基因组测序工作曾经登上《自然》和《科学》的封面。)



  ■  背景



  微生物是什么?



  微生物都很小,小到看不见,一般尺度小于0.1毫米。但并非所有看不见的生物都是微生物,比如尘螨和线虫都不是微生物。



  现在一般学术界都把微生物分为古菌域(Archaea)、细菌域(Bacteria)和真核生物域(Eucarya)。古菌域包括嗜泉古菌界(Crenarchaeota)、广域古菌界(Euryarchaeota)和初生古菌界(Korarchaeota)。秦楠说,古细菌(古菌)很多都是在火山等极端环境中发现的。开始的时候,大家认为这些细菌很原始,可能是地球刚出现时候的最早生物,但现在认为,它们并不一定是最原始的细菌。细菌域包括细菌、放线菌、蓝细菌和各种除古菌以外的其他原核生物;真核生物域包括真菌、原生生物,也包括不属于微生物的动物和植物。

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