9月4日，國際頂級期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表中外科學(xué)家的合作成果“ Global marine microbial diversity and its potential in bioprospecting ”。該成果建立了全球最大的海洋微生物組數(shù)據(jù)庫，從中發(fā)掘塑料降解酶、基因編輯工具、抗菌肽等重要基因資源。山東大學(xué)微生物技術(shù)國家重點實驗室教授李盛英為文章共同通訊作者，助理研究員劉琨為文章共同第一作者。
微生物已在生物制造、生物醫(yī)藥、生物農(nóng)業(yè)、環(huán)境治理等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，這些應(yīng)用大部分源自陸地微生物的長期研究開發(fā)，而占地球表面積70%以上的海洋中蘊含的微生物資源卻尚未得到充分開發(fā)。近20年來，海洋探采技術(shù)、高通量測序技術(shù)以及宏基因組學(xué)研究日新月異，海洋微生物測序數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長，海洋微生物功能基因和功能酶資源的開發(fā)應(yīng)用有望取得重大突破，推動我國生物經(jīng)濟(jì)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級。
研究團(tuán)隊對目前已公開的近240 Tb海洋微生物宏基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行重分析，構(gòu)建了包含超過4.31萬個海洋微生物基因組和24.58億條基因序列的大型數(shù)據(jù)庫，深度揭示了海洋微生物的物種多樣性，并成功發(fā)現(xiàn)多種PET塑料降解酶、新型CRISPR-Cas系統(tǒng)和高活性抗菌肽。研究成果不僅為海洋微生物的演化、環(huán)境適應(yīng)性及生態(tài)學(xué)研究提供了前所未有的機(jī)遇，同時為海洋微生物基因資源的開發(fā)提供了實踐案例，將極大地推動海洋微生物資源在相關(guān)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用發(fā)展。
本研究構(gòu)建了迄今為止最大、最完整的“全球海洋微生物組數(shù)據(jù)庫”——The Global Ocean Microbiome（GOMC）。該數(shù)據(jù)庫包含了24195個物種水平的非冗余基因組，其中近1萬個基因組是本研究所特有的發(fā)現(xiàn)，主要來自于深海、沉積物、共附生等生境，極大拓寬了我們對海洋微生物多樣性的理解，刷新了海洋原核微生物基因組大小的上限，揭示了缺氧海洋環(huán)境中大基因組細(xì)菌的適應(yīng)性演化規(guī)律，解析了全球海洋微生物群落的生物地理分布，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。
研究團(tuán)隊進(jìn)一步構(gòu)建了包含24.58億非冗余基因序列的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（GOPC）。針對塑料廢棄物對海洋環(huán)境造成的日益嚴(yán)峻的白色污染，利用GOPC進(jìn)行了PET塑料降解酶的定向挖掘，從深海熱液噴口及深淵海溝的樣品測序數(shù)據(jù)中篩選出3個嗜鹽耐熱PET水解酶，其催化活性隨NaCl濃度的升高而增加，比陸地微生物中發(fā)現(xiàn)的IsPETase活性高12-44倍?；钚宰罡叩膁sPETase05可在3天內(nèi)將PET膜大部分降解，降解率達(dá)到83%。這是國際上首次從深海中發(fā)現(xiàn)的高活性PET水解酶，不僅展示了GOPC在生物勘探領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，也為PET塑料的生物降解與再生這一熱點領(lǐng)域提供了全新的工具。
國際著名海洋微生物生態(tài)學(xué)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(xué)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表示，“該成果將對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”。研究成果標(biāo)志著海洋宏基因組學(xué)領(lǐng)域的一個新高度，凸顯了海洋微生物在改善人類福祉和促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)性方面的關(guān)鍵作用。這些發(fā)現(xiàn)不僅為海洋的可持續(xù)探索和利用開辟了廣闊空間，也為未來的生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)研究提供了新的選擇。
華大研究院研究員范廣益、章文蔚，山東大學(xué)教授李盛英，英國東英吉利大學(xué)教授Thomas Mock，華大研究院孫穎為論文共同通訊作者。華大研究院陳建威、賈洋洋、孫穎，山東大學(xué)劉琨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(xué)基金委、廣東省海洋生物重點專項、青島西海岸新區(qū)創(chuàng)新專項、青島市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的聯(lián)合資助。
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