Nature | 关键词：“微生物”——2023年Nature速览

灰藻生物

关键词：#微生物| #细菌|#真菌|#病毒|#宏基因组|#DNA|#Nature速览| #2023年

1 、微生物统治海洋的“功臣”DNA  | Weird bits of DNA help microbes to rule the seas（中|英题目）

图1、Prochlorococcus光合细菌    来源：Nature

速览：Prochlorococcus 是一种海洋中广泛分布的光合细菌，其具有丰富细菌特性和环境适应性，但缺乏获取遗传物质的机制，当然这也是微生物进化选择的结果。为追踪光合细菌的遗传变异来源，基于 Prochlorococcus 基因组高度变异区域的DNA探索工作，研究者发现了一组独特的跳跃基因（tycheposons），其携带了帮助光合细菌适应环境的压力因子。例如，含有硝酸盐同化的基因组区域，细菌若无此基因片段，则不能在氮源仅有硝酸盐的培养基中生长。其它的海洋微生物，如囊泡和病毒，也有类似的 tycheposon 基因，这表明可能有很多海洋微生物，依赖这种特殊的DNA片段来维持遗传机制。

2、 追踪极端环境中的微生物 | Tracking microbes in extreme environments（中|英题目）

图2、追踪极端环境中的微生物    来源：Nature

速览：Gerdhard Jessen 是智利南方大学的微生物生态学家，他从 2008 年开始探索一些奇特环境，如黑海缺氧水体、加拿大尾矿池和南极温泉。2018 年他在智利与国际团队合作，研究极热环境中的微生物学，包括温泉和火山等。他还探索了水下热喷泉中的微生物群落，位于智利南部板块下沉的海洋地壳。照片中，他正在南美洲阿塔卡马沙漠中，测量从硫磺喷气孔释放出 80-100°C 蒸汽，采样了随流体冲出的地下微生物。后续将对这些微生物的进行 DNA测序，进一步评估微生物群落及生物相互作用。研究目标是构建极端环境下地下微生物塑造地球的影响机制，探索微生物群落如何影响未来气候变化。

3、由“极端微生物”探索生命起源 | I analyse ‘extremophile’ microbes to understand life’s origins（中|英题目）

图3、极端微生物和生命起源    来源：Nature

速览：Gaël Erauso 是法国海洋研究所的一名微生物学家，他从 1989 年开始研究“极端微生物”——可在极端环境中生存的微生物。起初，Gaël Erauso 找不到合适的研究方法和实验设备，甚至“极端微生物”这个词很少被人使用。他从零开始建立实验室，最终在法国罗斯科夫的深海热喷泉中发现了一种新的微生物。十年前，他认识了地质学家 Bernard Pelletier ，后者在多尼亚南部发现了一个热液“烟囱”，其由海底热流与冷水相遇时产生的沉积矿物质形成。照片中，他正在采样样本。他们试图弄清楚烟囱中的微生物生态如何运作，以及能源和碳源的提供者，也对水体细菌进行遗传测序。这项研究有助于更好地理解生命形式，以及探索生命诞生的证据。因为这些极端环境形成于 43 - 45 亿年前，那时有机分子产生了最初的生命形式。

4、乡村教师如何成为顶尖“新冠疫情侦探” | How a rural school teacher became a top COVID sleuth（中|英题目）

速览：王燕是中国南阳市的一名小学老师，她从 2020 年 1 月开始关注 COVID-19 疫情，并在网上收集和整理病毒的基因序列数据。她使用免费的在线工具，如 Nextstrain 和 GISAID，来构建病毒进化树和地理分布图，使用自己编写的 Python 脚本分析病毒变异。她的工作得到了国际知名病毒学家和流行病学家们的认可和赞扬，也与他们建立了合作关系。她的目标是为新冠研究提供有价值的信息，为普通人科普知识。

5、“狗流感”距离传染人类又近一步 | Flu edges closer to spilling from dogs into humans（中|英题目）

图4、犬流感病毒    来源：Nature

速览：犬流感病毒是一种狗呼吸道病毒，由鸟或猪流感病毒变异而来。目前没有证据表明犬流感病毒可以传染给人类，但不排除这种可能性，小狗与人类有着密切接触。为评估犬流感病毒威胁，Adolfo García-Sastre 等人测序分析了 301个样本基因组。他们发现了一种新型犬流感病毒—— H1N1r，它由甲型 H1N1 （俗称“猪流感”）和一种犬流感重组而成。H1N1r可在人类细胞复制遗传，并通过呼吸道传播。此外，现有疫苗和抗病毒药物对 H1N1r效果有限。也就是说，H1N1r 病毒具有传染人类的潜力，建议加强该类型病毒的监控工作，同时开发匹配疫苗和药物以防万一。

6、微生物碳利用效率促进全球土壤碳储存 | Microbial carbon use efficiency promotes global soil carbon storage（中|英题目）

速览：土壤有机碳是地球最大的有机碳储存库，对全球碳循环和气候变化有重要影响。土壤有机碳的形成和分解过程主要由微生物控制，微生物的碳利用效率（碳合成和分解对应比例），对土壤有机碳的影响尚不清楚。利用土壤有机碳数据库，结合机理模型、人工智能和数据同化技术，发现微生物碳利用效率与全球土壤有机碳储量呈正相关，此结果表明其是土壤有机碳最重要的影响因素。本项研究为理解土壤碳循环及气候变化响应机制提供了新的视角，为调控微生物过程、增加土壤固碳和实现碳中和提供了科学依据。

图5、全球微生物碳利用效率空间分布    来源：Nature

7、基于安全利用的噬菌体病毒可能是治疗致命感染的关键 | Why phage viruses could be the key to treating deadly infections — if they can be harnessed safely（中|英题目）

速览：噬菌体在自然界广泛存在，它是一类专门感染细菌和古细菌的病毒，对微生物生态有重要影响。同时，噬菌体也是重要的实验工具，为遗传学和分子生物学做出了巨大贡献。近年来，随着耐药细菌的感染威胁，将噬菌体作为抗生素替代的治疗方法受到越来越多的关注。《好病毒：噬菌体的不为人知的故事》由科学作家汤姆·爱尔兰撰写，该书使用生动的故事和丰富的细节介绍了噬菌体的发现、分类、功能和应用，尤其是在治疗耐药细菌感染的潜力。该书旨在提高公众对噬菌体的认识和兴趣，但对噬菌体疗法过度乐观，对科学证据缺乏有力评估。

8、病毒诱骗邻近细胞降低防御 | Viruses trick bystander cells into lowering their defences（中|英题目）

速览：受病毒感染的细胞不仅会改变自身状态，也会影响周围的未感染细胞。感染细胞可通过释放细胞因子和干扰素等信号分子，警告邻近的未感染细胞，使其提前启动抗病毒防御，从而限制病毒传播。然而，病毒也可以通过干扰和利用未感染细胞的通讯网络，以逃避免疫系统清除。《科学进展》杂志上发表的一项研究报道了一种细胞间的新型通讯方式，发现人类巨细胞病毒（HCMV）感染的细胞会释放含有病毒蛋白的外泌体，外泌体可与邻近未感染细胞结合，导致未感染细胞的抗病毒反应降低，从而对二次病毒感染更容易。发现揭示了病毒感染细胞与未感染细胞之间的复杂通讯机制，为理解和控制病毒感染提供了新视角。

9、细菌、基因和土壤：病原体过去的故事 | Germs, genes and soil: tales of pathogens past（中|英题目）

速览：病原体是一类能够引起人类和动物疾病的微生物，它们与人类的关系可以追溯到远古时代，对人类健康历史有深远影响。近年来，一项国际团队结合古基因组学和土壤微生物学方法的研究，试图重建过去人类和动物的病原体历史，揭示病原体的起源、传播和演化。该研究利用从古代遗骸和土壤中提取的DNA和RNA，重建了多种病原体的基因组序列，分析了分子系统发育和进化动力学，探索了它们与宿主和环境的相互作用。重要发现包括：古埃及木乃伊的结核病菌与现代非洲的结核病菌有密切关系，表明结核病可能是从非洲传入埃及的；南美洲伤寒杆菌与欧洲伤寒杆菌有明显差异，表明伤寒可能是在南美洲本地演化的。这些发现为理解病原体的生物学特性和演化历程提供了新知识，也为解释一些人类重大历史事件提供了新线索。

10、将病毒与癌症联系起来的病毒学家 | Harald zur Hausen, virologist who linked viruses to cancer (1936–2023)（中|英题目）

图6、德国病毒学家Harald zur Hausen    来源：Nature

速览：德国病毒学家祖尔·豪森因发现人类乳头瘤病毒（HPV）与宫颈癌的关联，获得了2008年诺贝尔生理学或医学奖。他出生于1936年3月11日，他在德国和美国接受了医学教育，后来在德国弗赖堡大学、埃森大学和维尔茨堡大学担任教授和研究所主任。他的主要研究领域是病毒与癌症关系，20世纪70年代，他提出了HPV与宫颈癌假说，为癌症预防和治疗提供了新策略。他还发现了其他几种与癌症相关的病毒，如人类疱疹病毒8型（与卡波西肉瘤相关）和人类牛痘病毒（与皮肤癌相关）。

11、将共生细菌转化为人类健康益生菌 | Turning cooperative bacteria into probiotics for human health（中|英题目）

速览：肠道菌群是一种生物反应器，能够分解营养物质并释放活性物质，驱动微生物与宿主相互作用。肠道菌群之间也存在共生关系以增加生存能力，Khan等人利用肠道菌群的共生互养关系，即一种细菌（Desulfovibrio piger）能够利用另一种细菌（Faecalibacterium prausnitzii）的代谢产物，最终产生一种有益于宿主的分子（丁酸），以及对F. prausnitzii的耐氧性进行了改造，使其能够在有氧条件下生长，从而提高了其在体外的生产和储存的可行性。这种改造的F. prausnitzii能够在小鼠模型中抑制炎症性肠病，表明其具有作为益生菌的潜力。这一研究为理解肠道菌群合作机制和有益分子产生过程提供了新知识，为开发下一代益生菌提供了新策略。

12、一种单抗应对两种儿童病毒 | A single antibody tackles two childhood viruses（中|英题目）

图7、呼吸道合胞病毒    来源：Nature

速览：呼吸道合胞病毒（RSV）和人类呼吸道合胞病毒（hMPV）是引起儿童呼吸道感染的常见病毒，每年造成约13.4万儿童死亡。目前，针对这两种病毒的有效疫苗和治疗手段还很缺乏。Wen等人研究了一种能够识别和抑制呼吸道合胞病毒（RSV）和人类呼吸道合胞病毒（hMPV）的抗体，名为RSV-199。该抗体能够同时识别两种病毒的融合蛋白，这是病毒感染宿主的关键步骤。作者从健康血液中筛选出产生这种抗体的免疫细胞，并在棉鼠模型中验证了其抗毒效果。结果显示，该抗体能够显著降低棉鼠肺中RSV或hMPV的数量，甚至将其降低到检测不到的水平。这一发现为预防和治疗儿童呼吸道病毒感染和开发抗体提供了新的思路。

13、深入温泉寻找地下微生物 | Diving deep into hot springs to find Earth’s subsurface microbes（中|英题目）

图8、地下微生物探索    来源：Nature

速览：地下隐藏着许多神秘微生物，它们在极端温度和盐度条件下生存，对地球运行和演化有重要影响。Karen Lloyd是来自田纳西大学的微生物学家，致力于探索微生物多样性和功能，尤其是地下深层和火山微生物。她在全球各地收集和分析微生物样本，利用基因组学和生物化学方法，揭示它们的代谢特征和生理功能，及其对地球循环和功能的贡献。她发现这些微生物能够利用一些稀有能源，如甲烷、氢气、硫化氢等进行生命活动，从而影响地球碳、氮、硫等元素的循环。她还发现，这些微生物与地球的地质活动有密切联系，如火山喷发、板块运动、地震等，这些微生物可能是生命起源和演化的重要线索。

14、毛茸茸的小动物充满了多种病毒 | Furry little creatures teem with a multitude of viruses（中|英题目）

图9、轮状病毒    来源：Nature

速览：小型哺乳动物，如鼠类、蝙蝠、灵长类等，是地球上最丰富和广泛的动物群，也是许多病毒的宿主。Anthony等人利用基因组学和生态学方法，对全球小型哺乳动物的病毒多样性进行系统调查，发现了超过一万种新病毒，其中一些具有跨物种传播的潜力。该研究收集了来自全球28个国家的约500种小型哺乳动物的血液和唾液样本，利用高通量测序技术检测RNA病毒，然后利用生物信息学和系统发育学方法，对病毒进行分类和分析。结果显示，这些小型哺乳动物共携带了约15,000种RNA病毒，其中约10,000种是新发现的，大多数与已知的人类和动物病毒有亲缘关系。病毒的多样性和分布也与宿主进化历史和地理位置有关，研究为人类健康和生物多样性提供了重要信息，也为预防和控制病毒性疾病提供了参考。

15、通过全球宏基因组学揭示功能性暗物质 | Unraveling the functional dark matter through global metagenomics（中|英题目）

图10、NPRFs的结构特征    来源：Nature

速览：宏基因组编码了大量的蛋白质，为检验通过参考基因组的视角所能探索的功能多样性的规模，开发了一种计算方法用于从宏基因组序列空间中生成无参考蛋白家族。我们分析了26931个宏基因组，鉴定出11.7亿个长度超过35个氨基酸的蛋白序列，这些序列与102491个参考基因组或Pfam数据库中的任何序列都没有相似性。利用大规模并行图形聚类，将这些蛋白分组为106198个新的序列簇，每个簇包含超过100个成员，从而使参考基因组聚类得到的蛋白家族数量翻了一番。根据这些家族的分类、栖息地、地理和基因邻近分布对这些家族进行了注释，并在序列多样性充足的地方预测了蛋白的三维模型，揭示了新的结构。结果揭示了一个极其多样化的功能空间，突出了进一步探索微生物功能暗物质的重要性。

16、细菌防御的新语言信号 | The language of bacterial defences expands（中|英题目）

速览：细菌、植物和动物细胞都演化出了复杂的防御途径，以检测和抑制病毒的复制。这些途径一般是产生一些由核酸底物构成的信号分子，用于放大和激活免疫反应。Chi等人的研究描述了一种细菌防御系统，使用S-腺苷甲硫氨酸（SAM）分子与核苷酸ATP连接而成，揭示了一种新的信号分子类别，扩展了抗病毒免疫的化学语言。

17、海洋非常复杂：海洋微生物建模是气候预测的关键 | ‘Oceans are hugely complex’: modelling marine microbes is key to climate forecasts（中|英题目）

图11、海洋微生物    来源：Nature

速览：海洋预测模型建立并不容易，预测者需要考虑海洋物理（波浪、洋流和与大气的相互作用）、生物（生物对环境和彼此的反应）和化学（不同形式的必需元素及其对氧气或pH的敏感性）的多种变化。同时，模型必须涵盖不同尺度，从国家水域到开阔海洋。还必须能够模拟极端状态，如海洋热浪，并进行数百年的模拟。目前，对于海洋微生物和气候变化间的影响机制还没有统一的认识。海洋微生物学、生理学和生物地球化学的建模者们正在努力改进海洋模型，以更好地反映海洋的微生物多样性和功能复杂性。基于加入更多微生物群落和功能，利用更多观测数据和人工智能技术，以提高模型精度和预测能力。这对于理解海洋微生物和气候变化的互相作用、海洋健康和生物多样性的作用具有重要意义。海洋微生物建模也提供了一种评估和管理海洋资源的工具，以应对气候危机带来的挑战。

18、微生物学家在COP28推动争取气候政策制定的一席之地 | Microbiologists at COP28 push for a seat at the climate-policy table（中|英题目）

图12、古细菌在牛内脏中产生甲烷    来源：Nature

速览：微生物在气候变化中起着重要作用，可以产生和吸收温室气体，也可影响生物多样性和食物链，应该被纳入气候模型解决方案。然而由于历史原因，微生物学家在气候科学及其政策制定中没有发言权，没有参与到国际气候变化专门委员会（IPCC）重要气候报告的撰写。为了改变这种状况，美国微生物学会（ASM）、国际微生物生态学会（ISME）等组织正在向政策制定者传达微生物的重要性，并计划明年派出协调团参加COP29气候会议。与此同时，一些微生物学家已经在今年的COP28会议做好了准备，他们将展示相关研究成果和案例，希望能够引起更多关注和支持。

参考文献

1、Weird bits of DNA help microbes to rule the seas. https://www.nature.com/articles/d41586-023-00001-8

2、Tracking microbes in extreme environments.https://www.nature.com/articles/d41586-023-00089-y

3、I analyse 'extremophile' microbes to understand life's origins.https://www.nature.com/articles/d41586-023-00985-3

4、How a rural school teacher became a top COVID sleuth.https://www.nature.com/articles/d41586-023-01047-4

5、Flu edges closer to spilling from dogs into humans.https://www.nature.com/articles/d41586-023-01278-5

6、Microbial carbon use efficiency promotes global soil carbon storage.https://www.nature.com/articles/s41586-023-06042-3

7、Why phage viruses could be the key to treating deadly infections - if they can be harnessed safely.https://www.nature.com/articles/d41586-023-01982-2

8、Viruses trick bystander cells into lowering their defences. https://www.nature.com/articles/d41586-023-02135-1

9、Germs, genes and soil: tales of pathogens past. https://www.nature.com/articles/d41586-023-02154-y

10、Harald zur Hausen, virologist who linked viruses to cancer (1936-2023). https://www.nature.com/articles/d41586-023-02370-6

11、Turning cooperative bacteria into probiotics for human health.https://www.nature.com/articles/d41586-023-02407-w

12、A single antibody tackles two childhood viruses.https://www.nature.com/articles/d41586-023-02428-5

13、Diving deep into hot springs to find Earth's subsurface microbes.https://www.nature.com/articles/d41586-023-02651-0

14、Furry little creatures teem with a multitude of viruses.https://www.nature.com/articles/d41586-023-02917-7

15、Unraveling the functional dark matter through global metagenomics.https://www.nature.com/articles/s41586-023-06583-7

16、The language of bacterial defences expands.https://www.nature.com/articles/d41586-023-03149-5

17、'Oceans are hugely complex': modelling marine microbes is key to climate forecasts.https://www.nature.com/articles/d41586-023-03425-4

18、Microbiologists at COP28 push for a seat at the climate-policy table. https://www.nature.com/articles/d41586-023-03765-1

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更新日期：2023-12-03