神奇真菌：山羊肠胃之谜中的生物燃料与化学生产

San Clemente岛山羊Elway可以教给我们很多有关生物加工的知识。

从生物燃料和其他日用化学品到甲烷的生产，基因组学研究将其视为山羊肠道的奥秘。

Michelle O’Malley长期以来一直受到肠道微生物的启发。自从她开始研究草食动物的消化道以来，加州大学圣塔芭芭拉分校的化学工程教授已经指导了几位学生攻读博士学位，赢得了职业生涯早期和中期的奖项（包括获得奥巴马总统的认可），获得了终身职位，并晋升为全职教授。一路上她甚至有三个孩子。通过它的所有常量：山羊粪。

O’Malley说：“这是我实验室中最长的一次尝试。”她的研究团队早在2015年就开始了一项雄心勃勃的项目，以鉴定大型食草动物中的肠道微生物。目的？了解这些动物如何通过其微生物群落来从植物材料中提取能量，尤其是纤维状的非食物部分，其中糖被锁定在坚硬的植物细胞壁后面。了解该过程可能会揭示从现代的，可再生的植物部位中提取现代生活所需的各种化学物质（从生物燃料到药物）所必需的原材料的方法。反过来，这可能会减少甚至消除我们对这些材料的更有限资源的依赖。

现在，O’Malley达到了另一个里程碑。在《自然微生物学》杂志的一篇论文中，她和她的团队报告了400多个平行的厌氧富集实验的结果，其中包括700多个以前未知的微生物基因组和数千种新酶，以及许多细菌的可能机制。甲烷经常被归咎于牛和山羊。

微生物滚动通话

O'Malley说：“我们要进行这项研究的一件事是问自己是否可以学习山羊消化道必须提供的生物加工课程。”像所有反刍动物一样，山羊的肠道菌群已经进化了数百万年，能够分泌分解强大植物部分的强大酶，从而使动物能够从各种植被中获取营养。

她说：“这项研究的目的实际上是了解微生物，以及重要的是，那些从事那些困难工作的微生物团队。”

研究人员特别感兴趣的是山羊肠道微生物组的非细菌固定体，即“厌氧菌”的“次要参与者”，占细菌占主导地位的人群的一小部分。O’Malley说，不仅社区中的这些成员很少而且相距甚远，他们也很难培养。因此，尽管肠道微生物组研究已经进行了很长时间，但大多数研究都忽略了微生物组稀有成员的贡献。

她说：“没有人真正看过这些稀有成员的影响。”

研究人员通过居住在圣巴巴拉动物园的圣克莱门特岛山羊Elway进行了大约400多次平行的粪便富集实验，研究人员挑出了具有不同生物量底物的生物量降解微生物种群。他们进一步使用抗生素雕刻了其中一些种群，以抑制细菌的生长，而使诸如真菌和产甲烷菌（来自古细菌领域的单细胞生物）等稀有微生物占据主导地位。

“然后我们对所有这些文化进行了排序，” O'Malley说。“我们将碎片化的DNA序列重新放在一起，以重建高质量的基因组，这使我们对那里的人有一个整体的了解。然后，我们在这些基因组中扫描了酶和途径，从而为我们提供了每个微生物在微生物组中的作用的线索。”O'Malley实验室的研究人员在能源联合基因组研究所（JGI）处对这些样品进行了测序，这是JGI社区科学计划的一部分；他们与JGI专家合作进行了元基因组测序和真菌基因组学研究。

这项研究表明，在此过程中，研究小组发现了700多个“在物种水平上独一无二的”新微生物基因组。他们还从大型食草动物中分离出了稀有真菌。

O’Malley说：“但这是我们第一次真正看到他们在其正常社区中的行动。”

重型击球手

事实证明，对于它们的小种群，真菌在生物量降解中起着不成比例的巨大作用。

O'Malley指出：“它们产生了社区赖以运作的大部分生物质降解酶。”此外，根据该论文，真菌还具有其他策略，例如能够物理穿透植物细胞壁，使这些酶作用的表面暴露。

研究人员还发现，随着生物量降解率的提高，以真菌为主导的财团的甲烷产量也随之增加。虽然肠道细菌和肠道真菌均与产甲烷菌形成跨域伙伴关系，实质上是将碳传递给古细菌，将其发酵成天然气，但真菌似乎更有效。

O’Malley说：“我们认为真菌在将碳分流到甲烷方面更有效。”“换句话说，真菌不会像细菌那样产生一堆副产品。细菌除产生甲烷外，还产生其他短链脂肪酸和其他化学产品。但是，真菌可能有更直接的途径将物质传递至产甲烷菌。”根据该论文，这表明“真菌在甲烷释放中的作用比以前认识的要大。”

研究的这些见解和其他见解使我们更接近使用微生物开发技术，以利用纤维素（地球上最丰富的有机化合物）生产具有工业重要性的化学品。O’Malley和她的小组致力于了解这些复杂的瘤胃社区成员的角色和相互作用，并且他们希望将来设计的微生物社区可以创造增值化学品。

“我们能否建造一种生物反应器来容纳一种微生物，而不仅仅是一种微生物？我们能像大自然一样做复杂的化学反应吗？这是这里的最终目标。” O'Malley说。

参考：彭雪峰，圣埃尔莫·威尔肯，托马斯·兰基维兹，肖恩·P·吉尔莫尔，珍妮弗·布朗，约翰·汉斯克，坎迪斯·L：“真菌和细菌群落的基因组和功能分析，可在山羊肠道微生物组中降解木质纤维素Swift，Asaf Salamov，Kerrie Barry，Igor V.Grigoriev，Michael K.Theodorou，David L.Valentine和Michelle A.O'Malley，自然微生物学，2021年2月1日。
10.1038 / s41564-020-00861-0

本文的研究者还包括加州大学的薛峰“ Nick” Peng，St。Elmo Wilken，Thomas S. Lankiewicz，Sean P. Gilmore，Jennifer L. Brown，Joh K. Henske，Candice L.Swift和UC的David L. Valentine。圣塔芭芭拉（Santa Barbara）劳伦斯伯克利国家实验室能源联合基因组研究所的Asaf Salamov，Kerrie Barry和Igor V.Grigoriev；英国哈珀亚当斯大学的Michael K. Theodorou通过美国国家科学基金会，能源部的资助，通过劳伦斯伯克利国家实验室的联合生物能源研究所（JBEI），协作生物技术研究所（ICB）进行了资助。 ，以及加州大学圣塔芭芭拉分校加州纳米系统研究所（CNSI）的新合作伙伴资助。