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（右）。

圖片來源：YOSHIHISA HIRAKAWA/日本筑波大學

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

未參與該研究的法國索邦大學國家研究機構CNRS海洋生物學家Angela Falciatore表示，這項研究“將推動浮游生物生物學的進步”。她說，這些進展可能有助于了解生命的早期進化，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)時會把海域染成藍色、綠色甚至是紅色。有些浮游生物是單細胞結構，稱為原生生物，它們像植物一樣，利用光將二氧化碳轉化為氧氣。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藻類生物學家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)境基礎研究的慈善組織）向研究人員提供了800萬美元研究經(jīng)費，以填補這一知識空缺。在對動物、植物、酵母和細菌的一系列研究中，當科學家修改生物體的細胞基因時，他們發(fā)現(xiàn)了這些細胞基因是如何發(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個物種進行研究。這些被研究的對象大都是在經(jīng)濟上的可能會對漁業(yè)和娛樂休閑業(yè)造成災難性后果的微生物，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)成分和溫度進行了測試，以確定哪種方法最有效。

為了探索這些基因，科學家們不得不嘗試將外源DNA導入其中，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通過細胞膜最有效的方法。有時用電擊穿細胞膜，使細胞膜滲漏，用這樣的方法可以將DNA擠進細胞。下一步是讓這一部分DNA成為細胞基因組的一部分，或者至少被翻譯成蛋白質。

細胞基因進入后開始制造蛋白質。有時細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自面對這些技術挑戰(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菌能力的基因可能編碼蛋白質，從而為人類制造新的抗生素。

而在遠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，這為原生生物的進化提供了線索。Kroth說：“我的實驗室肯定會受益。”

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