雷竞技-科学家如何还原和挖掘海洋微生物基因数据？—新闻—科学网

GOMC数据库为将来的研究供给了丰硕的资本，包罗开辟新型生物手艺产物、摸索微生物的生态功能、研究微生物与情况转变的关系、开辟新的疾病医治方式等。

基因是生命的“源代码”，此中不但储藏着天然演变的奥秘，也包括了数之不尽的生物工程资本。若何获得、阐发和利用基因数据，是现代生物学的焦点议题之一。

近日，一支研究团队对今朝已公然的海洋微生物宏基因组数据进行阐发和深度发掘，构建了迄今为止最为完全的海洋微生物基因数据库，并从此中发现了数种具有利用潜力的基因资本，包罗新型基因编纂东西、抗菌肽和PET塑料降解酶等。该研究在2024年9月4日颁发在《天然》（Nature）杂志上，团队成员来自华年夜生命科学研究院、山东年夜学、英国东安格利亚年夜学、中国海洋年夜学、厦门年夜学、丹麦哥本哈根年夜学等机构。

海洋笼盖了地球概况约71%的面积，据估量，此中超90%的物种还未被发现。细菌、古菌、病毒等微生物是海洋世界中数目最多的“居平易近”，1毫升海水就有约100万个，是海洋生态的主要构成部门。

从海水中取样并对此中的遗传物资进行测序，所获得的所有不加辨别的基因就是“宏基因组”（Metagenomics）。从这些重大的基因数据中提取有效的信息对研究人员来讲是很年夜的挑战。

在该研究中，研究团队用时五年，经由过程对今朝已公然的接近240 Tb海洋微生物宏基因组数据进行重阐发，构建了具有超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），包括从南极到北极、从近海到深远海、从表层海洋到万米超深渊等多样化的海洋生态系统。此中，2万多个微生物是潜伏新发现物种，近1万个微生物为在深海等怪异生境中初次发现。

GOMC数据集概览。图a为样当地理散布；图b是样本污染与完成度环境；图c是各年夜数据库与新恢复物种的堆叠环境；图d是各类微生物基因组数目散布。图片来历：《天然》杂志

经由过程数据发掘，研究团队发现了海洋微生物基因组巨细转变、遗传免疫机制演变等生态纪律，和年夜量可以或许利用在基因编纂、抗生素和塑料降解等范畴的基因资本。

科学家若何从基因碎片中还原完全基因序列？从基因层面不雅察，海洋生态有甚么奇异的纪律？在基因数据中能找到哪些对医疗、情况有效的资本？为回覆这些问题，近日，彭湃科技采访了该研究的通信作者、华年夜生命科学研究院青岛分院院长范广益博士。

化零为整：宏基因组组装手艺

微生物群落很是复杂，因为年夜部门微生物没法在尝试室中培育，获得情况样本中所有基因信息的宏基因组手艺变得十分有用。该手艺的难点之一在在，若何从这些夹杂的基因信息中还原单个物种的基因组。

范广益告知彭湃科技，该研究中利用了宏基因组组装分箱手艺，将情况样本测序获得的年夜量基因短序列进行拼接、分箱聚类，从而取得完全的基因组。这些基因组被称为“宏基因组组装基因组”（Metagenome-assembled genomes, MAGs）。

宏基因组组装触及到年夜量的对照和计较。基因是DNA或RNA年夜份子内一段核苷酸序列，颠末测序仪测序后，科学家们能获得序列的一段“碎片”，被称为“读长”（reads）。经由过程对这些“碎片”之间堆叠部门的比力进而将它们毗连起来，又能获得更长的一段持续序列，被称为“堆叠群”（contigs）。

接下来，科学家们需要经由过程分拆比对等体例，经由过程堆叠群序列中表示出的模式来判定这些序列是不是属在一个基因组，这个进程被形象地称为“分箱”（binning）。一样的序列被归到一个“箱子”中，对应一个MAG。

最近几年来跟着高通量测序手艺的成长，宏基因组数据敏捷增添，该组装手艺成了摸索新物种、发掘基因数据的有力东西。范广益提到，在该研究中，研究团队整合今朝已公然的年夜量海洋微生物宏基因组数据库，涵盖了从极地到赤道、从海洋表层到深海的普遍海洋情况，极年夜地拓宽了对海洋微生物多样性的理解。

虽然宏基因组组装手艺已带来了良多新发现，其产品的生物学真实性依然有所争议。MAGs的真实性不但遭到样本被其它物资污染的影响，也会由于难以验证而遭到质疑，特别是在对应物种还没有被发现的环境下。

对此，范广益认为，跟着测序手艺的前进和生物信息阐发方式的完美，MAGs的正确性和生物学真实性获得了显著提高。在该研究构建的数据库中，研究团队对宏基因组数据进行了质量节制，并经由过程物种系统发育阐发等方式提高分箱的正确性。他说，如许得来的MAGs可以或许代表海洋微生物的真实基因组，为理解微生物群落布局和功能供给了主要信息。

基因组巨细和免疫散布：基因视角下的海洋微生物群落

经由过程对重构的基因组数据进行阐发，该研究发现了一些有趣且主要的海洋微生物生态纪律。

在生物世界中，生物的复杂度其实不与基因组巨细显著相干，如无恒变形虫是一种单细胞原活泼物，它的基因组由6700亿对碱基对构成，而人类唯一30亿对。基因组巨细到底受哪些身分影响，又有甚么功能，是一个主要的问题。

范广益说，基因组巨细是微生物顺应情况转变的主要指标之一，它与微生物的代谢复杂性、保存策略和进化汗青慎密相干。该研究发现，在海洋情况中，年夜基因组细菌凡是存在在情况前提复杂且资本丰硕的生境中。

研究者们猜测，这些细菌的基因组中可能包括更多的基因，付与它们更多样化的代谢路子和心理功能，从而可以或许顺应多变的海洋情况。但是，年夜基因组也给细菌带来了复制和保持上的挑战。

除基因巨细以外，研究还发现海洋微生物免疫系统中的分歧免疫策略的散布存在一种奥妙的均衡关系。

跟人类一样，一些细菌和古菌等海洋微生物也遭到病毒的要挟，能杀灭细菌的抗生素也是它们的“夙敌”。针对病毒，良多微生物体内有一种CRISPR-Cas系统，此中CRISPR（纪律距离成簇短回文反复序列）是一段反复的基因，可以或许包括并辨认曾进犯过该细菌的病毒DNA并将其摧毁，Cas则是与这些基因相干的负责剪切与摧毁的卵白质。而面临“剧毒”的抗生素，微生物们则演变出抗生素抗性基因（ARGs），付与微生物对一种或多种抗生素的抗性。

该研究发现，分歧生态情况中，微生物对这两种免疫策略的选择具有特定的偏向性，如热液喷口（海底的一种非凡地质布局）等高温情况中的微生物中偏向有更多的CRISPR-Cas系统；同时，两种策略的散布仿佛彼此制约，微生物体内CRISPR-Cas系统增多时，ARGs的数目就会相对较少，两者在整体散布中连结某种均衡。

范广益提到，这类均衡可能反应了微生物在保持其遗传不变性与顺应情况压力（如抗生素选择压力）之间的复杂彼此感化。CRISPR-Cas系统可能在必然水平上限制了ARGs的程度传布，但同时为微生物供给外源核酸入侵的庇护。另外，CRISPR-Cas系统自己也可能遭到微生物基因组布局、情况前提、宿主-病原体彼此感化等多种身分的影响。

“这一发现强调了在理解微生物遗传系统若何顺应和反抗情况中的挑战时，需要斟酌多种身分和复杂雷竞技的生态动态。这也为进一步研究微生物抗性基因的传布机制、开辟新型抗菌策略和庇护微生物质源供给了主要的科学根据。”他说。

基因编纂、抗生素、塑料分化：挖掘基因“宝藏”

基因是生命的“中间”：DNA所携带的遗传信息经RNA转录、翻译合成卵白质，终究组成各类组织布局来实现生命的性能。基因中储藏着无数可以或许被利用到医疗、情况、工业等范畴的资本。在该研究中，研究者们经由过程对GOMC数据库进行发掘，发现了多个“宝藏”基因。

研究团队起首辨认出多个新型CRISPR-Cas9系统。作为微生物体内的一种可以或许切割外源入侵DNA的免疫机制，科学家发现这套系统可以或许被用来进行基因编纂，在药物开辟、基因医治等范畴有庞大价值，相干研究更是在2020年取得了诺贝尔化学奖。

范广益提到，此次发现的新型CRISPR-Cas9系统具有分歧的辨认特异性、靶向效力和编纂精准度，可以或许帮忙优化和定制现有的基因编纂东西，以提高在特定生物系统中的编纂效力和精度。别的，海洋微生物在非凡情况中的顺应性可能付与了其CRISPR-Cas系统怪异的不变性和活性，这些特征对开辟可以或许在特定情况前提下工作的基因编纂东西尤其主要。

该研究还经由过程对生物合成基因簇（BGCs，基因组中相邻且介入化合物合成的一组基因）进行猜测，判定出了数种抗菌肽（AMPs）。抗菌肽是一类小份子肽，它们经由过程粉碎细菌细胞膜或干扰细胞内要害生物进程来按捺或杀死病原微生物。范广益说，GOMC中判定出的新抗菌肽在序列和布局上与已知的抗菌肽存在显著差别，这注解它们可能具有怪异的感化机制或针对特定微生物群体的活性。

跟着人类匹敌生素的普遍利用，细菌的耐药性已成为新的要挟，新型抗生素亟待开辟。范广益告知彭湃科技，新发现的抗菌肽显示出对多种细菌的按捺结果，包罗一些对传统抗生素具有抗性的菌株，为开辟新的广谱抗生素供给了可能。

这项研究还发现了多种对PET塑料具有显著活性的水解酶。PET塑料全称“聚对苯二甲酸乙二醇酯”，是利用最普遍的塑料材料之一，常被用在饮料瓶、食物包装上。PET水解酶是一类可以或许催化PET塑料降解的生物催化剂，可以或许特异性地辨认并催化PET塑猜中的酯键水解，将塑料分化成较小的份子，从而启动塑料的生物降解进程，对解决全球塑料污染问题具有主要的意义。

范广益暗示，从数据库中发现的这些水解酶揭示出了嗜盐和热不变性，这些怪异的生物学特征极有多是它们在深海等卑劣生境中保存和阐扬活性的要害身分。这也意味着它们在面临工业利用中常见的刻薄前提时仍可能连结高效催化活性。

“我们对挑选出的PETases进行了具体的生化特征阐发。成果显示，它们在特定前提下对PET薄膜的降解效力很是高。例如，研究中提到的dsPETase05水解酶在3天内可以将PET膜年夜部门降解，降解率到达83%，这比已知的IsPETase活性超出跨越了44倍。”范广益说。

“GOMC数据库为将来的研究供给了丰硕的资本，包罗开辟新型生物手艺产物、摸索微生物的生态功能、研究微生物与情况转变的关系、开辟新的疾病医治方式等。”范广益说道。

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