肽度TIMEDOO獲悉，9月4日晚，華大生命科學研究院聯(lián)合山東大學、英國東安格利亞大學、中國海洋大學、廈門大學、丹麥哥本哈根大學等機構(gòu)，在全球頂級學術(shù)期刊《自然》（Nature）上發(fā)表了一項重磅研究成果：通過對目前已公開的海洋微生物宏基因組數(shù)據(jù)進行分析和深度挖掘，不僅構(gòu)建了迄今為止最完整的海洋微生物基因數(shù)據(jù)庫，更從中發(fā)現(xiàn)了大量具有應用潛力的基因資源，為開發(fā)新型基因編輯工具、抗菌肽、PET塑料降解酶等提供了全新的思路，將極大地推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的應用發(fā)展。

Nature?文章截圖

（小標題）構(gòu)建迄今為止最完整的海洋微生物組數(shù)據(jù)庫

研究團隊歷時五年，通過對目前已公開的接近240 Tb海洋微生物宏基因組數(shù)據(jù)進行重分析，構(gòu)建了擁有超4.31萬個海洋微生物基因組和24.58億個基因序列的海洋微生物組數(shù)據(jù)庫The Global Ocean Microbiome Catalogue（GOMC），包含從南極到北極、從近海到深遠海、從表層海洋到萬米超深淵等多樣化的海洋生態(tài)系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)庫是已報道海洋基因組數(shù)據(jù)庫 Tara Ocean 的3倍、蛋白序列庫的60倍。其中，2萬多個微生物是潛在新發(fā)現(xiàn)物種，近1萬個微生物為在深海等獨特生境中首次發(fā)現(xiàn)。

全球海洋微生物基因組數(shù)據(jù)集概覽

本研究使用宏基因組分箱技術(shù)對海量數(shù)據(jù)進行重分析，可獲取環(huán)境中大量不可培養(yǎng)微生物的全基因組序列，獲得新物種的基因組及其功能信息等，避免了大部分海洋微生物無法通過傳統(tǒng)分離培養(yǎng)獲得導致的信息遺漏，得到的微生物基因組更全面。而在未來基因資源利用上，基于已挖掘出有應用潛力的微生物基因組數(shù)據(jù)，結(jié)合合成生物學技術(shù)或可實現(xiàn)微生物活性功能的大規(guī)模開發(fā)利用。

該研究不僅極大拓寬了對海洋微生物多樣性的理解，刷新了過去認知中海洋原核微生物基因組大小的上限，揭示了缺氧海洋環(huán)境對大基因組細菌的適應性演化提供了選擇壓力，解析了全球海洋微生物群落的生物地理分布規(guī)律，為理解微生物在不同海洋環(huán)境中的遺傳連通性提供了新的視角。

作為 “千種海洋生物基因測序項目”的第一年度重要成果，該項研究為海洋微生物的演化、環(huán)境適應性、生態(tài)學研究和遺傳資源開發(fā)與利用提供了前所未有的機遇。

（小標題）解碼“基因?qū)毑亍?，助力多領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)突破

GOMC數(shù)據(jù)庫猶如一座寶庫，蘊藏著無數(shù)待發(fā)現(xiàn)的基因?qū)毑亍Ｑ芯繄F隊針對該基因數(shù)據(jù)庫，利用深度學習算法工具對其進行挖掘，發(fā)現(xiàn)了多項具有應用潛力的基因資源，將滄海“遺”珠打磨成耀眼的滄?！懊鳌敝椋?/p>

• 新型“基因剪刀”：還記得“基因剪刀”CRISPR-Cas9嗎？它被譽為生命科學領(lǐng)域的革命性技術(shù)。在本研究中，研究團隊鑒定出了36個新型CRISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)，并挖掘出了一個具有潛在應用價值的新型Cas9編輯系統(tǒng)（Om1Cas9），將助力我國在基因編輯工具使用上具有更多獨立性和選擇。
• 抗生素替代：研究團隊鑒定了117個新型抗菌肽，并通過生物合成和實驗驗證發(fā)現(xiàn)其中10個抗菌肽具有顯著抗菌活性及廣譜抗菌效果?；谠摮晒?，華大目前已聯(lián)合香港理工大學成立香港理工大學-華大?全球深海資源基因組學和合成生物學聯(lián)合研究中心，實施進一步研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，或?qū)榭股啬退幮噪y題提供新的解決方案。
• 破解塑料污染難題：塑料污染是全球性難題。團隊發(fā)掘了3個深海來源的高活性新型嗜鹽PET塑料降解酶，3天內(nèi)對PET薄膜降解率達到83%，是已報道的IsPETase塑料降解酶活性的44倍。以PET生物酶法來降解、再生和升級PET塑料可以解決塑料污染，提升環(huán)境生態(tài)效益，是全球科學研究和產(chǎn)業(yè)應用的熱點。本研究挖掘的新型PET塑料降解酶或?qū)⒅ξ覈鴮崿F(xiàn)PET塑料的綠色低碳可持續(xù)利用，減少塑料制造工業(yè)對石油的依賴和碳排放。

目前，GOMC數(shù)據(jù)庫已存儲于國家基因庫生命大數(shù)據(jù)平臺（https://db.cngb.org/maya/datasets/MDB0000002）。研究團隊基于GOMC和自有的極端生境基因數(shù)據(jù)，進一步開發(fā)了貫穿序列鑒定、結(jié)構(gòu)預測與聚類、酶蛋白活性位點精準預測和高通量基因合成等全鏈條AI技術(shù)輔助的功能基因挖掘技術(shù)體系，并面向全球?qū)W者提供海洋及極端環(huán)境來源的新型酶高效挖掘技術(shù)服務平臺。

“本研究標志著海洋宏基因組學領(lǐng)域的一個新高度，凸顯了海洋微生物組在改善人類福祉和促進環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展上的關(guān)鍵作用。這些發(fā)現(xiàn)不僅為全球科學家對海洋的可持續(xù)探索和利用開辟了廣闊前景，也為未來的生物技術(shù)和生物醫(yī)學研究奠定了基礎(chǔ)?！蔽恼鹿餐谝蛔髡摺⑷A大生命科學研究院陳建威博士表示。

對于本研究成果，國際著名海洋微生物生態(tài)學研究專家A. Murat Eren教授表示：“該研究很好地證明了海洋微生物的無限可能，為在海量基因組數(shù)據(jù)中挖掘生物技術(shù)與生物醫(yī)學相關(guān)的寶貴資源指引了方向”。另一位海洋微生物多樣性研究專家Tom O. Delmont教授也表示：“該成果將對于研究和利用海洋微生物相關(guān)的多個研究領(lǐng)域產(chǎn)生持續(xù)、長久的積極影響”。

華大生命科學研究院范廣益研究員、章文蔚研究員，山東大學李盛英教授，英國東安格利亞大學Thomas Mock教授及華大生命科學研究院孫穎博士為論文共同通訊作者。華大生命科學研究院陳建威博士、賈洋洋博士、孫穎博士和山東大學劉琨助理研究員為論文共同第一作者。本研究受到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、廣東省海洋生物重點專項、青島西海岸新區(qū)重大科技創(chuàng)新專項、青島自貿(mào)片區(qū)千種海洋生物基因測序項目、三亞崖州灣科技城項目等項目聯(lián)合資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07891-2

編輯：李麗