納米孔測序！耗資1.8億美元的DNA“條形碼”旨在發現新物種

　　幾百年以來，生物學家都在以一種極其緩慢的速度探索新物種，描述其定義特征。如今，伴隨著新一代測序技術的突破，生物學家已經可以在幾個小時內確定一份樣本是否為新物種，并且這一成本將有望降至幾美分。這是一場由短鏈DNA驅動的科技革命，這段DNA我們稱之為DNA“條形碼（barcode）”。它們的多樣性足以為我們提供物種的區分標記，并且能夠與快速、廉價的便攜式DNA測序儀相結合。

　　加拿大圭爾夫大學的Paul Hebert表示：“生物多樣性科學正在進入一個黃金時代。”6月16日，Paul Hebert的研究小組將啟動一項耗資1.8億美元的全球性項目，以鑒定200多萬種新的多細胞生物。此外，其他獨立團隊也在實驗室中采用了這種方法對新物種樣本進行梳理，有的甚至直接在野外使用。

圖：科學家利用便攜式基因測序儀進行物種研究

　　來自意大利維羅納大學的基因組學家Massimo Delledonne最近在婆羅洲的一個森林里進行了DNA條形碼研究，并很快發現了一個新的蝸牛物種。他表示：“多年來，我一直夢想能將便攜式基因組‘實驗室’帶到采樣地并迎來變革。現在，DNA條形碼技術已經為這樣的黃金時代準備就緒。”

　　據生物多樣性專家估計，地球上有870萬到2000萬種植物、動物和真菌。但迄今為止，只有180萬種得到了正式的描述。尤其是昆蟲，還存在著大量未被發現的物種。新加坡國立大學生物學家Rudolf Meier一直致力于小型測序儀條形碼方法的開發，他表示：“總的來說，它們在陸地上棲息的生物量可能比所有野生脊椎動物的總和還要多。”

　　2003年，Hebert提出了DNA條形碼的概念：通過對樣本中長度不到1000個堿基的線粒體DNA進行測序，進而區分動物種類。這個理念經過了較長的一段時間才逐步得到認可，但Hebert和其他研究人員已經開始著手編制已知物種的DNA條形碼。例如，在2010年，他發起一個名為國際生命條形碼（iBOL）的聯盟。這是一項耗資8000萬美元的項目，計劃利用已知物種的DNA序列，建立一個物種參考數據庫。目前，該數據庫已經有多達730萬個條形碼（每個物種不止一個），并且已被證實不僅可用于鑒別已知物種，還可以幫助探索它們與其他物種的相互關系。

　　如今，在30個國際合作伙伴的支持下，iBOL即將啟動一項為期7年的工作，該項目被稱為BIOSCAN，將在全球2500個不同地點收集樣本并研究物種相互作用。其目標是將參考數據庫擴增至1500萬個DNA條形碼信息，其中90％來自未被描述的物種。Hebert介紹，這些數據將為監測污染、土地利用變化以及全球變暖對生物多樣性的影響奠定基礎。最終，“我們將能夠像追蹤天氣一樣追蹤地球上的生命。”

　　此外，與iBOL之前專注于從已知物種中獲取DNA條形碼的做法不同，“新項目的主要目標之一是發現新物種，”Hebert說。如果軟件無法將樣本的DNA條形碼序列與現有物種相匹配，它將立即標記該樣本進行更進一步的研究，并可能將其識別為新物種。而在過去，科學家可能需要花費數年甚至數十年才能確認某些生物是否為新物種。同時，定制化的生物信息學工具及測序儀可以一次性讀取足夠的堿基以獲得完整的條形碼，這也使成本保持在較低水平。Hebert預測，每個樣本約耗費1美元，包括收集、保存、DNA提取、測序以及后續分析。他預計，測序部分的總成本最終將降至每個樣本約0.02美元。

　　目前，BIOSCAN的條形碼項目收集的所有標本將被運往圭爾夫大學。此外，Meier一直在開發一種條形碼方法，他希望很多實驗室都能使用這種方法進行物種研究。現在，他正在編制所有新加坡物種的生物多樣性數據，尤其是小昆蟲。對于這項工作，Meier表示：“我們放棄了傳統上用于條形碼的過度設計和昂貴的技術。”相反，他使用了便攜式納米孔測序儀MinION，其大小與手機相當，費用也不到1000美元。Meier的團隊已經生成了20萬條昆蟲DNA條形碼，代表了1萬個物種，其中超過70%都是新物種。

　　隨著越來越多研究成果的發表，對Meier而言，這一類實地研究工作對于條形碼的大眾化來說是個好兆頭。“這一切都指向了分散性生物多樣性科學的光明未來，能夠快速產生結果。”展望未來，Meier認為更多國家將會開展這種項目，從而獨立對其生物多樣性進行分類。但其他研究人員也認為，類似于BIOSCAN這類工業規模的研究也很重要。因為，如果科學家希望對地球上的所有物種進行編目，那么只在個別實驗室中進行這些研究，這將永遠無法完成。

　　參考資料：

　　1. $180 million DNA ‘barcode’ project aims to discover 2 million new species