海洋微生物 -海洋微生物分离纯化最常用的方法

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在海洋生态系统和气候中的关键作用

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麻省理工学院的Penny Chisholm博士发现了一种曾经很不起眼的海洋微生物，这种微生物对于海洋生态系统和气候非常关键。Penny Chisholm已研究微生物长达35年。她投注热情的对象仅仅是漂浮在海洋上的绿色“微尘”。但她发现隐藏在原绿球藻（Prochlorococcus）中的秘密非常复杂。

原绿球藻所属蓝藻是海洋中最小、最丰富的光合生物，在全球光合作用中的占比约为5%。原绿球藻有许多生态型，能够存活在海平面至深达200米的地方。该“物种”全体估计拥有8万个基因，是人类的4倍，足以处理全球海洋抛给它的一切。Penny Chisholm说，这一美丽的小生命机器，像是一个超级生物体，它有一个故事要告诉我们。

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她在微生物方面的成就令许多政界领导人刮目相看，并积极参与到许多儿童科普读物的撰写工作中。她甚至会动员明星的影响力，比如让说唱名人Gza就出了一张关于海洋微生物的说唱专辑。Chisholm的实验室经理Allison Coe说，她真的是不遗余力地推销原绿球藻，她想让公众像她一样对原绿球藻充满热情并为之感到惊奇。

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       原绿球藻得到公认经历了一个漫长的过程，而Chisholm自身也是如此，她的早期职业生涯，作为一名独身的女人，孤独的生物学家，在麻省理工学院土木工程系求学时，需要克服许多科学和文化障碍，应对性别歧视问题，她利用最新的科技手段来探寻原绿球藻的秘密。她的执着和坚持也激励了其他人。近年来Chisholm硕果累累，荣誉满载，被授予美国国家科学奖章，并被任命为麻省理工学院13名首席教授（Institute Professor）之一，“未来的美国院士”也正在向她招手。

这种微生物表现出来的对气候的影响力越来越受到人们的关注。Chisholm和她的两位同事将证明原绿球藻在进化过程中扮演着重要角色。她们提出这种微生物不仅能够提供我们每天呼吸的大量氧气，而且加速了远古时期海洋早期生命大爆发和地球大气层中氧气浓度的提高。 

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CHISHOLM 自述：在20世纪60年代，她读大学的本意是为了寻找到一位合适的丈夫，作为一名本科生，她专门研究了湖泊的化学性质，在教授的鼓励下，她决定攻读博士学位。在美国纽约州立大学，她研究了眼虫藻的营养物循环的24小时变化，眼虫藻是像原绿球菌一样的单细胞光合作用生物体，存活于淡水中。之后，她前往加州的史克利普斯海洋研究所发展是出于现实的考虑，因为在那里有充足的经费用于研究海洋微生物生态学。

     1976年，麻省理工学院对她发出邀请。麻省理工学院通过其合作单位伍兹霍尔海洋研究所向Chisholm提供了探索海洋的机会，去寻找这一问题的答案：微生物是如何影响海洋的。蒙特里湾水族馆研究所的Alexandra Worden说：“她认为有新事物等待发现，（科学家）只需找到以更高分辨率观测海洋的方法。” 

在20世纪80年代，大多数海洋的浮游生物几乎不可见，因为它们太小，不能在光学显微镜下被检测到。不过，其他研究人员确认了少量光合作用的海洋细菌。Chisholm和她的首名博士后Robert Olson决定用流式细胞仪过筛海水来获取更多信息。Olson注意到一种意想不到的红色荧光信号，其如此之小，以至于她们一开始认为是电子噪声。但该信号会跟随所分析的水样的深度和温度不同而发生变化，这表明其可能来自某种活的生物。

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Chisholm直到其合作者在电子显微镜下拍摄到这种小细胞才对她们发现了一种新生命形式感到满意，另一个研究小组将红色信号追踪至该微生物的叶绿素和其他色素。1988年，她们发表了其科研发现。1992年，当她们把它命名为“原绿球藻”时，她们意识到她们不是第一批观察到该微生物的人，但之前无人认识到它是一种新的生物体。Chisholm说，“我们在正确的时间、正确的地点，用正确的仪器探索到了这种细胞。”

多年来，由于没人在实验室里让原绿球藻存活，唯一研究它的方法是在大海中。尽管史克利普斯海洋研究所现任海洋学家Brian Palenik终于在1990年能在试管中培育原绿球藻，但还花费了另一个10年时间才实现了许多实验所需的纯培养。甚至直至今天，还没有人能对原绿球藻进行基因调控。

尽管挑战重重，但Chisholm很快被其团队的发现所“诱惑”，因为这种简单、丰富的生物可能是海洋生态学的重要参与者。同时，Chisholm也在积极参与到改变性别歧视的运动中。她和其他17位高级女教授中的16位联合签名请愿，旨在帮助女科学家提升社会地位。之后，Chisholm将注意力放到了她最爱的微生物上，其研究小组在不同的实验室环境中对样本进行培养，鉴别出5种重要的原绿球藻生态型，每种生态型都能适应不同的光线和温度条件。

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2003年，美国能源部下属联合基因组研究所首次开始微生物基因测序，Chisholm说服其对两种原绿球藻进行测序。她的团队发现，适应强光线的生态型的基因组非常精简——170万个碱基，只有1700个基因。Chisholm的博士后JamieBecker 说，这或许是已知的最简单、自我维持的生物体。

她的实验团队还发现，每个主要的原生球藻生态型都有自己的基因组“岛”，即一系列赋予环境特异性适应性的基因，例如，一种基因组“岛”能帮助微生物在低磷的水域中生存。直到15年前，Chisholm的实验室才开始壮大，当时越来越多的证据证明海洋微生物是生物圈的重要参与者，这说服了三家基金会对该研究资助数百万美元。实验室的研究人员增加到数十名，不仅在海上花费数周采集样本，收集数据，还可回到实验室，通过创新的方法探索这种微生物的工作原理。

Chisholm及其同事估计，虽然每个细胞仅约有2000个基因，但原绿球藻全体具有的“泛基因组”（pan-genome）约为80000个基因，这一巨大的“泛基因组”使得原绿球藻游刃有余地应对复杂的海洋环境。Chisholm还指出，由于这种微生物在碳循环中的作用，原绿球藻在调节温室气体二氧化碳水平上起到了显著作用。

Chisholm表示，她本应该考虑退休，但她没有这么做是因为原绿球藻实在是太有趣了。她非常感谢这样的有机生物体在她生命中留下了美丽的脚印。

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参考文献：New England Journal of Medicine 2017;376:1010-1011

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