在过去的20年里，科学家们从海洋中收集的微生物基因组数量大大增加，海洋可以帮助解决诸如抗菌药物短缺、塑料污染解决方案和基因组编辑等重大挑战。然而，将微生物基因组信息用于生物技术和医学一直较难。
Credit: Pixabay/CC0 Public Domain
一项发表于《自然》的新研究《全球海洋微生物多样性及其生物勘探潜力》（Global marine microbial diversity and its potential in bioprospecting）中，由中国华大基因研究中心牵头，与山东大学、厦门大学、中国海洋大学、丹麦哥本哈根大学和英国东英吉利大学合作，研究人员分析了来自海洋样本的近43,200个微生物(细菌、古生菌)基因组，发现了138个不同群体的广泛多样性。它们为基因组大小如何演变提供了新的见解，例如，海洋微生物如何平衡CRISPR-Cas系统(其免疫防御的一部分)与抗生素抗性基因。其中许多基因被抗生素激活，以帮助微生物生存。
CRISRP-Cas系统和抗生素抗性基因也是细菌免疫系统的一部分。利用基于计算机的方法，研究团队发现了一种新的CRISPR-Cas9系统和10种抗菌肽，这是不同生物体免疫系统的另一个重要组成部分。
抗菌药物——包括抗生素、抗病毒药物、抗真菌药物和抗寄生虫药物——是用于预防和治疗人类、动物和植物感染的药物。根据世界卫生组织，过度使用某些药物引起的耐药性日益增强，威胁到对越来越多感染的有效预防和治疗，因此有必要寻找新的类型。
研究小组还发现了三种酶，它们可以分解一种常见的污染海洋的塑料——聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)，这是另一个重大的环境和健康问题。实验室实验证实了海洋宏基因组学的研究结果，表明其潜在的实用性。
东英吉利大学环境科学学院海洋微生物学教授托Thomas Mock表示，“这项工作将海洋宏基因组学领域提升到“新的水平”。这项研究突出了海洋微生物组的大规模宏基因组测序如何帮助我们了解海洋微生物多样性及其进化方式，并找到将这些知识应用于生物技术和医学的新方法。”
“海洋是地球上最大和最重要的生态系统，海洋微生物与其环境之间的相互作用是全球范围内碳固定和营养循环等过程的基础，这些相互作用有助于地球上的宜居性。盐度、温度变化、光照可用性以及从表面到海底、从两极到热带的压力差异等因素，产生了影响海洋微生物适应和共同进化的独特选择压力。”
“基于这些见解，研究人员使用从宏基因组中检索的海洋微生物基因组库作为基因组挖掘和生物勘探的关键资源，能够发现新的遗传工具和生物活性化合物。”
这些数据涵盖了全球从极地到极地、从海面到最深的海沟等各种海洋环境，该研究通过创建一个新的公开可用数据库显著提高了人们对海洋微生物组的了解，该数据库包括大约24,200个物种级基因组。
研究人员表示:“虽然以往的研究对海洋系统在维持生物多样性方面的作用提供了初步的见解，但这项新的研究不仅建立在之前发现的基础上，而且还为可持续探索和利用海洋提供了新的机会。通过基于深度学习的海洋微生物组基因组挖掘，结合生化和生物物理实验室实验，推进这项工作显示出应对抗生素短缺和海洋污染等全球挑战的巨大潜力。研究强调了海洋微生物群在改善人类福祉和促进环境可持续性方面的关键作用。”
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编译 | Sara
审核 | Daisy
排版 | 绿叶
【参考资料】
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07891-2
https://phys.org/news/2024-09-scientists-uncover-diverse-marine-microbes.html
Guangyi Fan, Global marine microbial diversity and its potential in bioprospecting, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07891-2. www.nature.com/articles/s41586-024-07891-2
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