空间真的是最后的边界，还是离家较近的最大谜团?在宇宙学中，暗物质被认为是宇宙中大部分质量的原因，然而它的存在是通过间接效应而不是通过望远镜检测出来的。生物等效物是“微生物暗物质”，这是地球上普遍存在但几乎看不见的生命基础设施，它可以对从植物生长和健康到地球和海洋环境中的养分循环，全球最重要的环境过程产生深远的影响。碳循环，甚至可能是气候过程。 通过采用从单细胞分离的基因组的下一代DNA测序在系统地揭示和填充细菌和古生物树中未知的分支的巨大任务中正在取得重大进展。在由美国能源部联合基因组研究所(DOE JGI)领导的国际合作中

美国能源部JGI主任艾迪鲁宾说：“这一成就更像是21世纪相当于刘易斯和克拉克开辟美国西部的远征，而不是对空间的严峻感到疑惑。” “这是DOE JGI如何开拓发现的一个有力例证，因为我们可以采用高通量方法从数百万个细胞的复杂环境样本中分离和表征单个基因组，从而为我们的微生物进化提供一个深刻的飞跃。行星。这真是下一个伟大的前沿。“

这种微生物暗物质运动针对来自九个不同栖息地的未开垦的微生物细胞：不列颠哥伦比亚省的Sakinaw湖; 希腊西部的Etoliko泻湖; 墨西哥的污泥反应堆; 缅因湾; 在夏威夷瓦胡岛的北海岸，南大西洋的热带环流; 东太平洋崛起; 南达科他州的霍姆斯塔克矿; 和内华达州的大沸腾春天。从这些样本中，研究小组对9,000个细胞进行了激光分选，从中可以重新组装并鉴定出201个不同的基因组，然后这些基因组可以与生命树中28个主要的未知主要分支对齐。

“微生物是地球上最丰富多样的生命形式，”DOE JGI微生物项目负责人，Nature 出版物的资深作者Tanja Woyke说 。“它们占据了从海洋的最深处到最干旱的沙漠的所有可以想象的环境利基。然而，我们对其习惯和潜在益处的了解受到这样一个事实的阻碍，即绝大多数这些尚未在实验室中培养。因此，我们最近才通过不依赖于培养的方法，例如宏基因组学和单细胞基因组学，了解它们在各种生态系统中的作用。我们现在发现的是意想不到的代谢特征，这些特征扩展了我们对生物学的理解，并挑战了生命领域之间已建立的界限。“

为了解决在实验室中培养大多数微生物的困难，最近的努力集中于进行基于测序标记或16S核糖体RNA基因的调查，这些基因在微生物谱系中是保守的，因为它们作为“管家”基因的重要作用 - 对于生物体的关键生存。然而，大多数这些谱系的其余基因组的基因组测序进行得慢得多。“数据库中的微生物基因组表现非常偏倚，”DOE JGI博士后研究员，该研究的第一作者Chris Rinke说。“超过四分之三的所有测序基因组分为三个分类组或门，但我们知道有超过60个门。”然而，对于大多数，它们没有可用的培养成员。

“根据16S调查，我们知道它们在那里，但我们对它们知之甚少 - 这就是我们称之为微生物暗物质的原因，”Woyke补充道。“使用现代的单细胞技术，我们可以获得其中一些的基因组成，即使没有在实验室中培养它们。”

为了“寻求新的生活”，该团队的研究结果分为三个主要方面。首先是发现意想不到的代谢特征。他们观察到古细菌中的某些特征，这些特征以前只在细菌中出现，反之亦然。一种这样的性状涉及细菌通常用于在其保护性细胞壁内产生空间的酶，这是所需的，因此细胞可以例如在细胞分裂期间扩增。由于它通常切割保护性细菌细胞包膜，因此需要对其进行非常严格的调节。有史以来第一次发现一群古菌被编码成这种有效的酶，作者假设古菌可能将其作为抵御细菌攻击的防御机制。

这项工作产生的第二个贡献是将来自其他栖息地的大约3.4亿个DNA片段的数据正确地重新分配或装箱到适当的谱系。该课程校正提供了有关生物如何在特定生态系统环境中发挥作用的见解，以及对新发现的基因与居住生命形式的关联的大大改进和更准确的理解。

第三个发现是微生物门之间和之间的关系的解决 - 域和类之间的分类排序 - 这导致团队提出两个新的超文本，它们是门之间的高度稳定的关联。201基因组提供了坚实的参考点，系统发育的锚点 - 生物体随着时间的推移而变化的谱系历史。“我们的单细胞基因组让我们看到了未培养生物之间的进化关系 - 这些洞察力超出了16S rRNA树的单一位点分辨率，对研究细菌和古菌的多样性和进化至关重要，”Woyke说。“这有点像看一下家谱，找出你的姐妹和兄弟是谁。在这里，我们为生物群做了这个，我们只有遗传信息的片段。我们解释了数百万这些遗传信息，如夜空中的遥远恒星，试图将它们与可识别的星座对齐。起初，我们不知道他们应该是什么样子，但是我们可以估计他们之间的关系，而不是空间，但是在进化时期。“Woyke和她的同事正在寻求更准确地描述这些关系，以便他们可以更好地预测代谢特性和可由不同微生物群体表达的其他有用特征。

Phil Hugenholtz，昆士兰大学澳大利亚生态基因组学中心主任，前美国能源部JGI研究员，以及该论文的另一篇作者强调了接受这种探险的动机。“近20年来，我们对人们对生命之树大片区域知之甚少感到惊讶。该项目是解决这一巨大知识差距的第一个系统性工作。其中一个最重要的贡献是基于这些数据，我们提供了许多这些谱系的名称，这些谱系与大多数星系统一样，之前只是编号。对我来说，分类学分配很重要，因为它欢迎陌生人并使他们成为家庭的一部分。然而，这只是一个开始。我们谈论的可能是数以百万计的微生物物种仍有待描述，“Hugenholtz说。

宇宙学家只绘制了可观测宇宙的百分之一的一半，而环境基因组学中的前方路径同样令人生畏。“仍有大量的多样性需要探索，”沃伊克说。“为了尝试捕获目前已知的系统发育多样性的50%，我们必须对20,000多个基因组进行测序，并且必须根据树上代表性不足的分支的成员来选择这些基因组。而且，可以肯定的是，这些只是已知的存在。“