揭示海藻的秘密

加州大学圣地亚哥分校的研究人员在首个同类项目中探索了海藻基因组多样性

加州大学圣地亚哥分校博士生泰勒·斯蒂尔和导师布拉德利·摩尔(背景中所示)在拉霍亚的潮汐池中收集海藻。他们正在进行一个项目，对圣地亚哥发现的10种不同类型的生物合成“天赋异禀”红海藻的基因组进行测序。照片由Erik Jepsen/UC San Diego Communications提供。

年代a迭戈的潮池是希望看到某种海洋生物的游客的热门景点。随着潮汐的涨落，这些岩石海岸的奇观经常充满了生物，从寄居蟹和章鱼到小鱼和海葵。

但在抢镜的海洋生物之外——如果你再近一点看——你会发现大量的海藻。

斯克里普斯海洋学博士后学者Immo Burkhardt在海草中寻找红海藻。

加州大学圣地亚哥分校的研究人员现在正在仔细研究一些当地发现的海藻，这是一个史无前例的探索海藻基因组多样性的项目。这项研究由联合基因组研究所(JGI)资助，由海洋化学家领导布拉德利摩尔以及他在斯克里普斯海洋研究所实验室的成员。

自2019年该项目开始以来，摩尔实验室的研究人员一直在努力解开海藻的复杂化学结构，特别是它们如何构建某些分子，这些分子可能在制造业和医药等领域有重要应用。该团队目前正在与JGI合作，对圣地亚哥发现的10种不同类型的生物合成“天才”红海藻的基因组进行测序，这是以前从未做过的事情。

摩尔是加州大学圣地亚哥分校斯卡格斯药学院和斯克里普斯海洋学的海洋生物技术和生物医学教授，他说:“我很高兴能读到红藻的第一批基因组序列，以了解这些海藻是如何进化到用化学方法保护自己免受近岸食草动物的攻击的。”“我们当地海藻自然产生的许多化学物质是红藻所特有的，在我们星球上的其他生物中没有。因此，作为一名化学家和遗传学家，这让我着迷，我的另一个目标是应用海藻的代谢秘密来帮助解决社会挑战。”

一些红海藻构建的分子可能在制造业和医药等领域有重要应用。

海藻是全球价值数十亿美元的产业，是化学和食品行业许多材料的来源。通过了解海藻在分子水平上的工作原理，这项工作可以帮助天然产物研究人员在燃料、润滑剂、聚合物和其他商品和特殊化学品的生物制造中利用海藻的生物合成机制。

摩尔说:“随着我们的经济走向更多的以生物为基础的未来，减少对化石燃料的依赖，我们科学家正在研究大自然如何制造我们社会所需的许多相同的材料，但不是通过石油化工产品，而是通过光合作用。”“因此，我看到在生产生物基材料、药品、农产品等方面有很多好处，以支持我们不断增长的经济。”

该项目建立在斯克里普斯海洋学科学家在20世纪70年代所做的开创性工作的基础上威廉Fenical以及晚期D.约翰·福克纳．海洋化学家们第一次收集并表征了红色海藻，他们通过研磨海藻样品并从中提取化学物质来识别出有趣的化学物质。摩尔实验室现在正以全新的视角重新审视这一最初的工作，并利用基因组测序将其进一步推进。基因组测序是一种告诉科学家特定DNA片段中携带的遗传信息的过程。

博士生泰勒·斯蒂尔(Taylor Steele)带着一桶用来保存样本的液氮去了潮汐池。

海洋化学家对红色海藻很感兴趣，因为某些类型的海藻以其难以置信的利用卤素的能力而闻名，卤素是一组非金属元素，包括溴和氯。这个基因组测序项目的主要焦点是发现一些“化学上有趣的”海藻是如何将卤素结合到它们产生的分子上的——这些分子有可能用于其他应用。

“我们研究的海藻是一组有趣的生物活性分子的天才生产者，”摩尔实验室的成员、加州大学圣地亚哥分校化学和生物化学系三年级博士生泰勒·斯蒂尔说。“我们对这些海藻的生物化学很感兴趣，我们如何能够将这种生物合成机械重新用于其他生物技术应用。这几乎就像分子乐高积木。”

斯蒂尔在圣地亚哥长大，她说自己是一个“户外运动的孩子”，对了解自然世界很感兴趣。这种好奇心激发了她对科学的研究，“去了解你周围发生的令人惊奇的潜在生物化学——只是用肉眼看不到而已，”她说。

摩尔实验室成员特里斯坦·德隆德和伊莫·伯克哈德在潮汐池中寻找红色海藻。

斯蒂尔在了解了摩尔实验室正在使用的一些创新测序技术后，于2019年加入了摩尔实验室，此外，摩尔的指导以及他如何培养一个健康的实验室环境也鼓励了她。她决定将博士研究重点放在海藻基因组项目上，与斯克里普斯博士后学者Immo Burkhardt合作。这项研究似乎完美地结合了她在生物化学和基因组测序方面的兴趣。

“我很高兴能有一个同时包含计算和湿实验室组件的项目。摩尔实验室专注于将基因与分子连接起来，而海藻基因组计划就是这种哲学的一个很好的例子，”斯蒂尔说。“我有机会做基因组测序、组装和注释，然后把我的结果带到实验室，还可以做生物化学。”

在最近的一次实地考察中，斯蒂尔、摩尔和其他几名实验室成员从拉霍亚的潮汐池中收集了海藻样本。他们把他们的社交距离安排在低潮的时候，这为团队提供了一个很短的时间窗口，让他们在裸露的潮池的角落和缝隙中寻找三种特定的海藻。

用于长读测序的样本被冷冻在液氮桶中，然后被送往实验室进行PacBio测序。

一旦研究人员找到了一个可行的样本，他们就会通过挑选蠕虫或软体动物等“大朋友”来清洁它，然后准备样本送往JGI进行基因组测序。

Steele说，研究人员将首先使用短读测序(称为Illumina测序)来了解样本的样子，然后一旦它被清除为可行，他们将继续使用更精确的长读测序(称为PacBio测序)。她将不同的测序方法比作阅读一本书。

斯蒂尔说:“使用Illumina测序，就像你对每个单词逐个测序，而使用PacBio测序，就像你一次不间断地阅读整个段落，这使你有一个更完整和连续的基因组。”“这对社区和我们这些寻找基因的人来说都是一个非常有价值的工具。”

通常需要三到六个月的时间才能收到JGI的测序结果，然后在斯克里普斯的实验室进一步分析结果。除了可能的生物制造应用，研究人员说，由此产生的基因组将为海藻如何适应多样化和不适宜的环境提供新的见解。

工作福利:斯克里普斯海洋学科学家布拉德利·摩尔在水下搜寻海藻。

斯克里普斯博士后学者、摩尔实验室成员特里斯坦·德隆德说，他对红海海藻的复杂性以及它们在不可能的地方茁壮成长的能力印象深刻。“它们是在岩石裂缝之间发现的迷人的小化工厂，”他说。

斯蒂尔说，在过去的三年里，她研究了海藻，对潮池中发现的“惊人的生物多样性”也有了更多的欣赏。

“在我们的后院有很多这种红色海藻，直到你开始了解它们，你才会注意到。然后你意识到，天哪，这里有这么多不同种类的海藻，它们会产生这些疯狂的分子，”她说。

在校园里，其他研究人员也在从事与海藻有关的创新项目。斯克里普斯海洋生态学家詹妮弗·史密斯一直在与加州大学戴维斯分校的农业研究人员合作关于一个项目培养Asparagopsis taxiformis这是一种红色海藻，被证明添加到牲畜饲料中可以减少奶牛的甲烷排放量。史密斯还共同领导加州海藻公司这是一家由以前的学生布兰特·切博斯基(Brant Chlebowski)创办的公司，旨在可持续地培育高品质的烹饪海藻。加州大学圣地亚哥分校的其他几位研究人员一直在合作一个项目，利用藻类材料来创造可生物降解的人字拖．

到目前为止，斯蒂尔已经在三种红色海藻的测序上取得了进展，还有两种正在进行中，另外五种将在实验室其他人的帮助下在不久的将来完成。该项目将于2022年完成，但斯蒂尔表示，它有望留下“一堆基因组”，为未来的研究提供支持。

斯蒂尔说:“我们正处于基因组学时代，将这项技术应用于红色海藻是一种非常未被充分研究的生物群体，这很有趣。”“我希望我们可以将这些基因组贡献给社区，作为未来工作的资源。”

2021年1月，泰勒·斯蒂尔、布拉德利·摩尔和摩尔实验室的其他成员在一次收集海藻的实地考察中沿着海滩散步。