劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)开发的一项新技术将使研究人员更容易发现微生物中未知功能基因编码的特征或活动，这是了解单个物种的作用和影响的关键一步。

这种方法被称为条形码过表达细菌鸟枪文库测序，或Boba-seq，在8月5日发表在《自然通讯》上的一篇论文中进行了描述。

“有太多的遗传暗物质——DNA，我们可以用今天的方法快速测序，但不知道它在微生物宇宙中的功能。问题是，我们如何研究所有这些物质来了解我们周围的微生物群?最基本的答案是——像这样，”主要作者亚当·阿金说，他是伯克利实验室生物科学领域的高级教员科学家。

Boba-seq涉及从感兴趣的细菌中随机提取DNA片段，并在宿主细菌细胞中表达它们。“我们的想法是，我们可以看到新基因的存在如何赋予细菌生长表型的差异，”第一作者Yolanda Huang说，她是布法罗大学微生物学和免疫学助理教授，在研究期间是Arkin实验室的博士后研究员。“这是一种功能基因组学方法，我们可以用它来快速连接一个基因或一段DNA序列与潜在功能。”

名称中的“条形码”一词指的是一个小的DNA序列，科学家们用它作为一个更大的DNA片段的识别标签，就像杂货店里的条形码用一个小代码识别特定商品一样。被研究的生物体的整个基因组被随机分成含有单个基因或几个基因簇的片段，然后插入质粒(DNA的圆形包装)中，质粒被标记有独特的条形码。Boba-seq“文库”指的是包含生物体片段的所有条形码质粒。这个文库可以被引入到不同的细菌宿主中，产生大量的遗传变异，然后筛选新的行为或特性。

Arkin和他在生物科学领域的同事是研究基因功能的高通量技术的领先专家，并参与了许多其他技术的发明，包括RB-TnSeq、CRISPRi和Dub-Seq，这些技术可以插入或沉默基因来研究它们的功能。

利用Boba-seq，可以将数十万个条形码片段放入宿主细胞中，并在不同条件下进行培养，从而在一次实验中确定其功能。例如，如果具有特定条形码的细胞在整个培养物暴露于抗生素时生长良好，而其他细胞则死亡，那么你就知道该片段中的基因或基因编码了抗生素抗性特征。由于有了条形码，识别产生这种新能力的片段既便宜又快速。

“Yolanda对Boba-seq的创新使我们能够确定数十万个片段中哪些片段赋予了我们想要的表型或特性，”Arkin说。“我们的新策略使我们能够制作库，并以比以前的过表达方法更高的吞吐量使用它们。”

另一个重大突破是，Boba-seq片段可以在提取它们的同一生物体(或近亲)中进行测试，这对于获得基因功能的准确图像至关重要。以前的技术是有限的，因为它们只测试像大肠杆菌和酵母这样的模式生物的基因。来自与大肠杆菌非常不同的生物体的基因通常在大肠杆菌中不起作用，这使得很难或不可能清楚地了解这些基因的作用。

用于处理涉及Boba-seq的实验室工作结果的计算工具在一个开源平台上可供其他研究人员使用。“我很高兴看到其他人如何在世界范围内使用Boba-seq，特别是用于肠道或环境的宏基因组研究，”Arkin实验室的加州大学伯克利分校研究生Allison Hung说。“在不隔离的情况下从微生物群落中提取功能信息的能力节省了大量的时间和资源，这将是研究难以在实验室培养的微生物的关键，比如那些生活在复杂生态系统中的微生物，目前是ENIGMA研究的一部分。”ENIGMA是基因和分子组装的生态系统和网络的缩写，是由Arkin共同领导的能源部(DOE)科学重点领域，旨在了解微生物群落如何通过生态系统循环养分并解毒重金属污染物。

在建立和完善Boba-seq之后，Arkin的团队通过研究拟杆菌门的基因来测试这项新技术，拟杆菌门是一种在人类肠道中大量存在的微生物分类目，已知在我们体内的微生物群中起着许多作用。拟杆菌也是陆地土壤过程的主要参与者，它们降解有机物并将营养物质归还给植物。该团队从6个拟杆菌科物种的文库中生成了305,000个条形码片段，并并行评估了超过21,000个蛋白质编码基因。

这些原理验证实验的结果表明，编码某些脂质分子的酶的基因赋予了对头孢曲松(头孢菌素类抗生素)的抗性。这些基因以前没有与抗生素耐药性联系起来，值得进一步调查。

研究小组还发现了碳水化合物代谢中的几个新功能，包括代谢葡萄糖胺所需的酶，葡萄糖胺是一种存在于骨骼、结缔组织、昆虫和甲壳类动物外骨骼中的修饰糖分子。在肠道中，微生物利用葡萄糖胺作为一种能量分子来构建它们的细胞壁，而形成肠道内壁的人类细胞则利用葡萄糖胺来产生粘液膜，帮助维持健康的营养吸收并防止病原体的入侵。

黄说，对拟杆菌门的这些见解将帮助健康研究人员更好地了解肠道功能，因为这个目“大多数时候都是共生的，真正维持肠道健康”。“但在某些州，拟杆菌释放的营养物质可以被病原体用来支持它们自己的生长。”

Arkin和他的ENIGMA同事现在正在使用Boba-seq来研究土壤微生物如何在大多数生命形式无法代谢的环境中从复杂的碳基分子中获取能量。与此同时，黄计划在布法罗大学雅各布斯医学与生物医学科学学院的新实验室中使用Boba-seq来研究细菌用来逃避噬菌体(感染细菌的病毒)攻击的基因，提高肠道内的定菌效率，并分解复杂的碳水化合物。

这项研究得到了美国能源部科学办公室的部分支持。Yolanda Huang是生命科学研究基金会的安斯泰来制药奖获得者。