评论 | Nature Communications: 难以分离培养的微生物生物学特性的研究
编译：弈轩，编辑：小菌菌、江舜尧。
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目前，许多新发现的微生物都是通过非分离培养的技术（如宏基因组学）进行研究的。由于这些菌群尚未在实验室中分离和生长，因此大部分生物特性仍然是模糊且未知的。 Katayama等人通过培养和研究本来难以分离的OP9门（Atribacterota）的细菌揭开了一些有趣细菌生物特性。
论文ID
DOI号：https://doi.org/10.1038/s41467-020-20393-9
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-20393-9
主要内容
随着分子技术的出现，显而易见的是，微生物的数量远远超出了科学家在实验室培养的数量。一种默认的规律出现了，即99％以上的“微生物”是不可能被单独培养的，因此只能通过组学技术进行研究。这种组学方法在扩展已知的微生物方面非常成功，表明大多数微生物的多样性不是由模式生物来表示的。这种多样性不仅限于稀有生物圈，还包括丰富的生物，其中一些对人类健康和福祉至关重要。然而，尽管组学技术提供了一个研究方法，但要完全揭开微生物宝藏，还是需要在实验室进行菌群的培养。幸运的是，“无法培养的微生物”的规律受到了多种微生物成功培养的挑战，诸如厌氧氨氧化细菌，阿斯加德古细菌，候选门放射的一部分和极为多样的浮游菌等微生物。我们对这些微生物的生理学和进化学的深入研究，需要极度的耐心。现在，Katayama等人报道了Atribacter laminatus的培养，从而为难以培养微生物添加了新的成员。
利用非培养技术，先前在黄石国家公园的温泉沉积物中发现了候选细菌门OP9，后来发现其在全球厌氧生境中含量丰富，对厌氧碳氢化合物的降解十分重要。Katayama等人在该文章中描述了他们如何培养出这一菌群的。同样，耐心是关键，因为这需要从天然气矿床附近的水生样品中富集3年。该细菌的生理学特征指向一种基于糖降解和氢产生的代谢，这是早先由组学技术预测所得。有趣的是，该菌株不能耐受高水平的氢，因此在与消耗氢的产甲烷古细菌的共培养中生长得更好，这表明了一种共营养的生活方式。因此，人们很容易推测，至少这种Atribacter laminatus在缺氧的生态系统中能够繁衍生息，这要归功于它作为产甲烷菌等氢清除生物的共生伙伴的能力。如果得到进一步的生态学研究的证实，这种共生体可能在甲烷循环中发挥作用，而甲烷循环与全球变暖有着根本的联系。因此，更详细地了解这些过程对于未来气候变化的预测和模型开发可能很重要。
尽管先前的组学方法对Atribacter laminatus的生态作用提供了很好的研究与揭示，但它们在预测该生物细胞生物学特性方面还远远不足。通过无菌培养，Katayama等能够阐明OP9候选菌门的第一个代表性的细胞生物学，现在被重新命名为Atriabacterota。此外利用衍射极限光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜（TEM）和冷冻电子断层扫描技术揭示了一个异常的细胞平面图，具有其三层类似于脂质膜的分层。
Katayama等人从干细胞，革兰氏阴性细胞包膜（带有外膜（OM）和细胞质膜（CM））和附加的胞质内膜（ICM）的角度解释了A. laminatus的细胞平面。这个额外的膜将包围形成一个腔室，该腔室占细胞体积的很大一部分，并包括类核细胞。作为另一种解释，研究者表示A. laminatus的细胞平面可能由（从内到外）组成：由CM包围的细胞质，由OM接壤的扩大的周质以及附加的蛋白质层（如Slayer）。
如果A. laminatus含有Katayama等人提出的三种脂膜，这就意味着这种生物比其他细菌具有更多的膜物质。研究人员发现，该菌的基因组编码了大量具有跨膜螺旋结构的蛋白质，其中一些蛋白质的表达非常高，这一发现支持了脂膜的发现。此外，一些膜蛋白（包括细胞分裂主协调器FtsZ的两个拷贝中的一个）含有N-末端延伸，Sec分泌的蛋白似乎具有独特的信号肽。
研究者发现的最有趣的现象是，薄片的透射电镜和共焦显微镜观察到的核酸染色均表明，染色体DNA（以及RNA）被（潜在的）胞质膜所包围，这种情况类似于真核细胞核。有趣的是，与真核细胞核形成鲜明对比的是，冷冻电子断层扫描数据显示，在这个潜在的类核室中有核糖体样结构。
这种对A. laminatus细胞平面图的解释有相似的研究发现，类似于对Planctomycetes菌的核样结构的描述。尽管Katayama等人提出了更有力的数据支持他们的假设（与先前Planctomycetes菌的观察结果相比），但我们仍要谨慎地将A. laminatus解释为第一个具有核样区室的原核生物。
对Planctomycetes菌研究提供了另一种解释和强有力的实验方法，有助于确定A. laminatus的不同寻常细胞生物学的性质。首先，确定膜样层中的哪一层是OM至关重要，例如通过定位OM特定的大分子，如孔蛋白或LPS。另一个选择是研究肽聚糖细胞壁的位置，例如使用荧光标记的前体，这些前体被并入肽聚糖层，因为OM将位于该层的顶部。此外，超分辨光学显微镜可用于确定哪种膜能够支持质子梯度和耦合ATP合成，这是（胞内）细胞质膜的典型特征。只有通过使用这些方法，才有可能重新解释Planctomycetes菌细胞模型。
同样，关于Planctomycetes菌的文献资料启发了对A. laminatus细胞平面图的第三种可能的解释：有可能Katayama 等人提出的作为胞质内和胞质膜的层实际上是一个连续的结构。CM的大内陷可以解释观察结果，如先前对多个Planctomycetes菌所示。
图1 A.laminatus细胞生物学的另一种解释。比较典型的革兰氏阴性菌（a）、板状心房杆菌（b）和典型的真核细胞（c）的细胞平面图。图中给出了三种可能的解释。在1中，由Katayama等人提出的A.laminatus有一个类似细胞核的隔室。在2中，一个典型的革兰氏阴性杆菌，它的外层是一个额外的S层。在3中，细胞质膜显示出广泛的内陷。OM外膜，CM胞质膜，ICM胞质内膜。
为了验证或证实这种解释，分析多个细胞是至关重要的。Planctomycetes菌的研究经验表明，人们可以很容易地找到一些看起来像它们包含核样结构的细胞，而通过分析许多细胞可以得出不同的解释。因此，我们期待着对A. laminatus能够做进一步深入的实验，并希望将其近缘物种培养出来，从而将更加清晰地阐明如何解释Katayama等人对于所发现的结果的描述。
结束语
Katayama等人的研究补充了一些独立培养的微生物的例子，这些微生物的培养和表征挑战了原核细胞如何划分的现有观点。该研究清楚地说明了进行繁琐的工作来将以前难以培养研究的物种进一步深度挖掘的重要性。毫无疑问，更多看不见的细菌细胞生物学特性正在等待发现。由于已经得到了易于培养且能够快速得到结果的微生物的研究成果，因此未来的研究可能需要集中于培养周期较长且培养条件复杂、生长要求苛刻的各类微生物，例如化学上复杂的培养基，梯度参数或需要共同培养的生物。未来的资助计划需要正视这些困难，因为常规的资助期可能太短而无法支持此类研究。发掘微生物多样性不仅揭示了独特的生物学特性，而且还有助于我们了解全球物质通量和气候变化，并有助于未来的生物技术应用。