水下10000米！藏着生物制造的“芯片”，多方出手，意义深远！
文摘
2025-01-04 18:10
四川
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地球大约71%的表面积被海水覆盖，然而人类对海洋的探索却只有5%。数据显示，地球上85%的物种生活在海洋里，目前已知的海洋生物有21万种，预计实际的数量则是这个数字的10倍以上。尤其是，海洋拥有着地球上最为庞大的微生物库。据估算，海洋中微生物物种数量可达1010种，而微生物细胞数量更是高达1029。这些微生物凭借对海洋中各类环境的适应能力，表现出极高的代谢多样性和极强的可塑性，为揭示相关生理生态机制、建立高容量菌种及基因资源库、发掘有潜力的新型活性物质带来巨大机遇。近日，由上海交通大学深部生命国际研究中心牵头，并与华大基因共同建设的深海微生物综合研究平台建成并投用，聚焦深海微生物研究与应用，是全球唯一的深海高压特种微生物综合研究平台。无独有偶，去年10月，天津大学机械工程学院研发团队完成了我国首台深海微生物原位采样自主水下航行器（MSAUV）的研制，性能指标达到国际领先水平。在此之前，微生物技术国家重点实验室开展了大量深海微生物的相关研究，先后派遣三名科研人员搭乘蛟龙号载人深潜装备，在西太平洋和大西洋进行深潜科考，获得了一系列对于塑料具有显著降解效果的深海微生物。菌种和酶是生物制造的关键，也是我国长期“卡脖子”的领域，向海洋这一宝库进军探索，对于补齐核心菌种和酶短板、构建自主可控的技术体系具有深远意义。“可上九天揽月，可下五洋捉鳖，谈笑凯歌还。”我国正在投入更多的资源打好海洋这张牌，有助于激发更多原创性突破成果，为生物制造产业蓬勃发展提供重要支撑。![]()
深海，一座微生物宝库
生命起源于海洋，微生物则是地球上最初的生命形式，经过数十年的进化演变，海洋微生物为如今多姿多彩的生物世界立下了汗马功劳。这些微生物广泛分布于海洋的各个角落，包括水体、沉积物、冷泉、热液喷口、海沟和海底生物圈等。这其中，水深200米以下被称为“深海”，这里阳光无法穿透、水压巨大、食物匮乏、温度极低，生长环境非常恶劣，但却是微生物的广阔天地。![]()
据估算，超过75%的海洋微生物分布在这些极端深海环境中，深海海底的微生物生物量占据整个地球生物总量的56%。而极端的条件，也造就了深海微生物“多”和“强”这两大优势。一方面，为了适应环境，微生物们表现出巨大的物种多样性，为科学家提供了丰富的研究资源。尤其是，深海微生物为了生存发展，演变出独特的生理特征和代谢过程，更有可能合成结构独特的酶和代谢产物，为产生结构全新、功能独特的化合物打开想象空间。例如，科学家对海洋冷泉微生物组进行了深入挖掘，后续的代谢组学分析在这些沉积物中检测到约10000种次级代谢产物，其中许多尚未被分类。另一方面，长期处于高盐、高压、黑暗、寒冷或高温（热液喷口平均温度达100°C）的条件下，也使得深海微生物作为“极端微生物”，应用于大规模生产时更具优势。我们知道，在工业制造过程中，常常面临各种限制条件，如极端温度和pH值、高浓度底物、有毒产物等，可能会抑制菌株的生长和代谢活动，对生产效率造成严重影响。而极端微生物，往往已经在恶劣自然环境的长期驯化下拥有了一套特殊、高效的应对机制，其作为底盘菌株则可能解决上述困境，在生物制造领域拥有巨大潜力。公开信息显示，极端微生物可分为嗜热菌、嗜冷菌、嗜酸菌、嗜碱菌、嗜压菌等等，其中许多来自于海洋环境。此前，江南大学、大连工业大学、恒顺醋业和会稽山绍兴酒共同合作，采用海洋极端环境中样品筛选到产淀粉酶和蛋白酶的耐高温微生物，在高温高湿的麦曲制作过程中定向强化功能微生物，将强化后麦曲应用于黄酒、食醋等发酵食品，提高了产品产率和风味，使绍兴酒更醇，镇江醋更香。目前，发展极端微生物已经成为下一代生物工业技术的核心命题之一，随着合成生物学技术的不断发展，改造和优化极端微生物的分子工具日益完善，这也加速了极端微生物应用于实际工业生产的步伐。而作为极端微生物的重要来源，海洋无疑将占据越来越重要的地位，有望开发出一批适用于工业生产的菌株和酶，成为生物制造发展重要推动力。![]()
发力，角逐广阔新战场
面对海洋这一微生物宝库，近年来，我国科学家们持续深入探索，涌现出多个创新性研究成果，为微生物资源的有效利用开辟了更大空间。例如，针对微生物资源鉴定与深度挖掘的规模有限、精准性不强等问题，研究人员借助高通量测序技术、组学技术以及AI等新兴信息技术的融合应用，获得重大突破。今年9月，华大联合山东大学、中国海洋大学、厦门大学、英国东安格利亚大学等机构共同构建了迄今为止最完整的海洋微生物基因数据库，相关成果发表在国际顶尖学术期刊Nature 上。研究团队历时五年，通过对目前已公开的接近240Tb海洋微生物宏基因组数据重分析，构建了拥有超4.31万个海洋微生物基因组和24.58亿个基因序列的海洋微生物组数据库（The Global Ocean Microbiome Catalogue，GOMC）。![]()
其中，2万多个微生物是潜在新发现物种，近1万个微生物为在深海等独特生境中首次发现。
在构建数据库的同时，团队利用深度学习算法工具挖掘研究，发现多项具有应用潜力的基因资源，取得开发最新基因编辑工具、发现新型抗菌肽和塑料降解酶等系列突破性重大成果。又例如，针对深海微生物采样难题，天津大学研制出我国首台深海微生物原位采样自主水下航行器（MSAUV），多项技术填补了国内空白。MSAUV搭载了深海原位微生物采样仪器和多种环境要素感知传感器，可实现深海微生物多点位化、多尺度化、高自动化和高保真化的原位采样、保存和分析。今年5月，MSAUV在我国南海1000米以浅的多个深度进行了性能和功能的全面测试，这是国内首次通过自主水下航行器实现对深海微生物的多点位化实海连续采样，最大采样深度、采样个数和单次最大过滤水量等性能指标均达到国际领先水平。下一步，研发团队计划与崂山实验室、中国海洋大学及青岛华大基因科技等单位开展合作，致力于深海微生物采样与宏基因组分析技术的持续研发。与此同时，多家校企共建的研究机构在全国多地落成，相关技术距离产业化更进一步，产学研融通的创新生态体系正在加速形成。1月，福建农林大学与山东土大厨肥业有限公司共建的极地海洋微生物资源与微生物菌剂研究院正式揭牌，双方将共同攻关极地海洋微生物这一关键技术“卡脖子”问题，力争在极地海洋微生物肥料、微生物农药等关键科技问题上取得重大突破。9月，华大联合香港理工大学成立的香港理工大学-华大•全球深海资源基因组学和合成生物学联合研究中心正式揭牌，并成立了海洋微生物酶基因资源利用联盟。公开信息显示，香港理工大学-华大•全球深海资源基因组学和合成生物学联合研究中心正基于抗菌肽成果实施进一步研发和产业化，或将为抗生素耐药性难题提供新的解决方案。12月，上海交通大学深部生命国际研究中心与华大基因共同建设的深海微生物综合研究平台在三亚崖州湾科技城建成并投用。据悉，该平台将与中科院深海所等单位密切合作，围绕深海微生物资源采集、培养、挖掘、开发等关键技术环节，积极布局发展配套设备和标准化、规范化、自动化的共性技术体系，打通深海生物技术的上下游，建设包含极端菌株、极端酶和特色化合物“三位一体”的深海微生物资源库。平台还将抓住当前人工智能、大数据等发展机遇，实现深海微生物资源获取和开发的数字化与智能化，构建人造“超级”细胞和生态系统，打通深海微生物资源发掘全流程，形成海南深海微生物资源产业化。![]()
写在最后
海洋是生命的发源地，数十亿年的时光荏苒，留存着这个星球最为古老和多样的微生物资源。在新兴生物科技和信息技术的加持下，这些资源正在焕发新机，成为探索生命奥秘的关键钥匙，并深刻影响医学、农业、材料等诸多领域，具有巨大的经济和社会效益。“海洋微生物的历史要比陆地微生物久远得多，虽然开发起来更具挑战性，但也更有机会获得前所未有的突破”，业内人士表示。随着科技的不断进步，我们有理由相信，那些隐匿在深海之下的微生物密码将被逐一破解，从孕育新型抗癌药物，到革新农业种植模式，再到合成环保新材料，它们将全方位重塑人类生产生活方式。向蓝水进发，将是生物制造未来发展的关键征程与重要命题。![]()
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