很久以前，在欧洲文艺复兴时期，达·芬奇就提到，我们人类“对天体运动的了解远超过对脚下土壤的了解”。五百年来，经过无数的科技进步，他的观点依然正确。

但这种情况可能很快就会发生改变。

2019年6月24日发表在《Nature Communications》杂志的一份研究，首次成功使用了一种叫做BONCAT技术来分离土壤样本中的活性微生物，这一成就可能会引发一波新研究浪潮。

众所周知，微生物几乎无所不在，它们对生态环境和人体健康起到了不容忽视的作用。土壤存在着地球上最多样化的微生物群落。每一克土壤中，来自数以万计物种的数十亿个细胞，共同执行着重要的地球养分循环。它们是陆地生态系统的支柱，健康的土壤微生物群落是可持续农业的关键。

然而人们对土壤微生物的了解还相当匮乏，因为许多土壤微生物无法在实验室培养环境中生长。科学家们想了很多方法来探索这些“微生物暗物质”，由于直接观察是不可能的，微生物学家通常会收集环境样本，并依靠DNA测序等间接方法来确定群落的特征。然而，大多数常用的技术无法将活跃的微生物与休眠的微生物或土壤和沉积物中发现的大量自由漂浮的DNA片段区分开来。

BONCAT（BioOrthogonal Non-Canonical Amino acid Tagging）是生物正交非标准氨基酸标记的缩写，原本用于生物工程研究。Hatzenpichler和Orphan对这个技术稍加改动，用于微生物生态学研究。BONCAT主要是用人工合成的氨基酸标记正在生产蛋白的细胞。然后用荧光标签对这些氨基酸进行染色，就可以在群体中看到活跃细胞。

BONCAT是一种非常有效的工具，可以用它将活跃的微生物与环境过程联系起来。科学家们进一步改进了这一方法，发明BONCAT荧光激活细胞分类(BONCAT+FACS)后，他们能够检测到单个活性微生物。

顾名思义，BONCAT+FACS允许科学家根据荧光标记分子的存在与否对单细胞生物进行分类，荧光标记分子与一种经过修饰的氨基酸---蛋氨酸结合。当含有修饰过的蛋氨酸的液体被引入到微生物样本中时，只有那些产生新的蛋白质的微生物，才会将修饰过的蛋氨酸融入细胞。

与以前的微生物鉴定方法相比，这种方法不仅更加精简可靠，而且整个过程只需几个小时。这意味着即使活性细胞没有复制，它也可以标记它们。

科学家们用新的微生物研究技术取得了成功

考虑到一些土壤微生物生长缓慢，许多科学家立即对将BONCAT+FACS应用于陆地土壤产生了兴趣。经过三个月的试验和优化，ENIGMA和JGI的研究团队设计了一种工作平稳的协议流程，最重要的是，给出了可重现的结果。

BONCAT+FACS是一个强大的工具，它提供了一种更精确的方法，可以确定在任何特定时间，哪些微生物在群落中活跃，这也为我们的实验打开了大门，评估哪些细胞在A条件下活跃，哪些细胞在切换到b条件下活跃或不活跃。

展望未来，BONCAT+FACS能使我们立即捕捉到微生物群落对正常栖息地波动和极端气候事件(如干旱和洪水)反应的快照，这些事件正变得越来越频繁。这一方法还将促进其他各种重要而耐人寻味的研究，例如改善农田方法、评估未培养微生物的抗生素敏感性，以及研究Candidatus Dormibacaeota---一种遍布世界各地的土壤细菌---的未知作用，这些细菌似乎大部分时间都处于休眠状态。

参考资料

1. PNAS：揭秘微生物暗物质的强大工具

2. Probing the active fraction of soil microbiomes using BONCAT-FACS

3. Scientists hit pay dirt with new microbial research technique

4. Cell & Microbiology News

欢迎个人转载，转载请注明来源