作者:索尼娅·费尔南德斯，加州大学圣巴巴拉分校 埃尔韦，一只圣克莱门特岛山羊，可以教我们很多关于生物加工的知识
信用:礼貌形象 米歇尔·欧玛利一直受到肠道微生物的启发
自从开始研究食草动物消化道以来，这位加州大学圣巴巴拉分校的化学工程教授已经指导了几名学生获得博士学位，获得了职业生涯早期和中期的奖项(包括奥巴马总统的认可)，获得了终身职位，并晋升为正教授
她一路上甚至有三个孩子
贯穿始终的是:山羊粪便
“这是我实验室里最长的一项工作，”欧玛利说，早在2015年，她和她的研究团队就开始着手一个雄心勃勃的项目，来描述大型食草动物肠道微生物的特征
目的？为了了解这些动物是如何通过它们的微生物群从植物材料中提取能量的，特别是纤维状的非食物部分，糖被锁在坚硬的植物细胞壁后面
了解这一过程可以揭示提取原材料的方法，这些原材料是现代生活所需的各种化学物质——从生物燃料到药物——都来自丰富的、可再生的植物部分
这反过来会减少甚至消除我们对这些材料的有限资源的依赖
现在，欧玛利达到了另一个里程碑
在《自然微生物学》杂志的一篇论文中，她和她的团队报告了400多个平行厌氧富集实验的结果，其中包括700多个以前未知的微生物基因组和数千种新酶，以及通常归咎于奶牛和山羊的大部分甲烷的可能机制
微生物点名 “我们想在这项研究中做的一件事是问问自己，我们是否可以学习山羊消化道提供的生物加工课程，”欧玛利说
像所有反刍动物一样，山羊的肠道微生物群经过数百万年的进化，能够分泌强大的酶来分解坚硬的植物部分，使动物能够从各种植物中获取营养
“这项研究的目的实际上是为了了解微生物，更重要的是，了解从事这些困难工作的微生物团队，”她说
研究人员特别感兴趣的是山羊肠道微生物群中的非细菌居民——像厌氧真菌这样的“次要参与者”，它们只占细菌占主导地位的群体的一小部分
欧玛利说，这些社区成员不仅少之又少，而且很难培养
因此，虽然肠道微生物组的研究已经进行了很长时间，但大多数研究忽略了微生物组中稀有成员的贡献
“没有人真正观察过这些稀有成员的影响，”她说
生活在圣巴巴拉动物园的圣克莱门特岛山羊埃尔韦对粪便进行了大约400多次平行的浓缩实验，研究人员用不同的生物量基质筛选出生物量降解微生物种群
他们进一步用抗生素来抑制细菌的生长，让真菌和产甲烷菌(古细菌领域的单细胞生物)等稀有微生物占主导地位
“然后我们对所有这些文化进行测序，”欧玛利说
“我们将片段化的DNA序列重新组合在一起，以重建高质量的基因组，这给了我们一张谁在那里的集体照片
然后我们扫描了这些基因组中的酶和路径，这给了我们每个微生物在微生物组中做什么的线索
“作为JGI社区科学项目的一部分，欧玛利实验室的研究人员在能源部联合基因组研究所(JGI)对这些样本进行了测序；他们与JGI专家在宏基因组测序和真菌基因组学方面合作进行这项研究
根据这项研究，在这个过程中，研究小组发现了700多个“在物种水平上独一无二”的新微生物基因组
他们还发现了以前从大型食草动物身上分离出的稀有真菌
“但这是我们第一次真正看到他们在行动，在他们正常的社区，”欧玛利说
重量级人物 事实证明，由于真菌数量少，它们在生物量退化中扮演了不成比例的重要角色
“它们产生了群落赖以运作的大部分生物量降解酶，”欧玛利指出
此外，根据这篇论文，真菌有其他的策略，比如物理穿透植物细胞壁的能力，暴露表面让这些酶起作用
研究人员还发现，随着生物量降解速度的增加，真菌占主导地位的群落中的甲烷产量也会增加
虽然肠道细菌和肠道真菌都与产甲烷菌形成跨领域的伙伴关系，本质上是将碳传递给将碳发酵成天然气的古细菌，但真菌在这方面似乎更有效
“我们认为真菌在将碳转化为甲烷方面更有效，”欧玛利说
“换句话说，真菌不会像细菌那样产生一堆副产品
除了一些甲烷之外，细菌还产生额外的短链脂肪酸和其他化学产品
但是，真菌可能有更直接的途径将物质传递给产甲烷菌
根据这篇论文，这表明“真菌在甲烷释放中的作用比以前认识到的要大”
" 这项研究的这些和其他见解使我们更接近于开发利用微生物从地球上最丰富的有机化合物纤维素中制造工业上重要的化学物质的技术
欧玛利和她的团队专注于理解这些复杂反刍动物群落成员的角色和相互作用，他们期待着设计的微生物群落能够创造增值化学品的未来
“我们能否建造一个生物反应器，不仅能容纳一种微生物，还能容纳几个或几十个微生物？我们能像自然界那样做真正复杂的化学吗？这是这里的终极目标，”欧玛利说
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