■本報記者刁雯蕙
9月4日，華大生命科學研究院聯合山東大學、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构，在《自然》發表研究成果。
他們通過對現時已公開的海洋微生物宏基因組數據進行分析和深度挖掘，構建了迄今最完整的海洋微生物基因資料庫，並從中發現了大量具有應用潜力的基因資源，有望為開發新型基因編輯工具、抗菌肽、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑膠降解酶等提供全新思路，助力相關產業的應用發展。
審稿人在評估中指出，該研究“很好地證明了海洋微生物的無限可能，為在海量基因組數據中挖掘生物技術與生物醫學相關的寶貴資源指引了方向”“將對與海洋微生物相關的多個領域的研究和應用產生持續、長久的積極影響”。
發現超兩萬個海洋微生物新物種
海洋是地球上最廣闊、最複雜的生態系統之一，有著豐富的生物多樣性和生物資源。海洋微生物作為海洋生態系統的基礎組成部分，在全球生物地球化學迴圈中起核心作用。然而，現時科學家對海洋微生物的瞭解仍是“冰山一角”。
在這項研究中，研究團隊歷時5年，通過對現時已公開的近240Tb的海洋微生物宏基因組數據進行重分析，構建了擁有超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資料庫（GOMC），覆蓋範圍包括從南極到北極、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系統。
“研究團隊建立的資料庫是已公開報導的海洋基因組資料庫Tara Ocean的3倍、蛋白序列庫的60倍。在該資料庫中，我們發現有兩萬多個微生物是潜在的新物種，首次發現近1萬個深海等獨特生境中的微生物。”論文共同第一作者、華大生命科學研究院專項科學家陳建威介紹。
據瞭解，研究團隊使用宏基因組分箱科技對海量數據進行重分析，獲取了海洋環境中大量不可培養微生物的全基因組序列，包括新物種的基因組及其功能資訊等。
“在未來基因資源利用上，基於已挖掘出有應用潜力的微生物基因組數據，結合合成生物學科技，有望實現微生物活性功能的大規模開發利用。”論文共同通訊作者、英國東安格利亞大學教授Thomas Mock表示。
該研究不僅極大拓寬了人們對海洋微生物多樣性的理解，重繪了過去認知中海洋原核微生物基因組大小的上限，也揭示了缺氧海洋環境對大基因組細菌的適應性演化具有選擇壓力，解析了全球海洋微生物群落的生物地理分佈規律，為理解微生物在不同海洋環境中的遺傳連通性提供了新視角。
解碼“基因寶藏”，助力產業發展
除了構建GOMC外，研究團隊還利用深度學習算灋工具對資料庫中的“基因寶藏”進行挖掘，發現了多項具有應用潜力的基因資源。
例如，研究團隊鑒定了117個新型抗菌肽，並通過生物合成和實驗驗證，發現其中10個抗菌肽具有顯著抗菌活性及廣譜抗菌效果。基於該成果，華大生命科學研究院已聯合香港理工大學開展相關合作，針對抗生素耐藥性進行研究並探索產業化潜力。
此外，研究團隊還在資料庫中發現了能够助力解决塑膠污染難題的新型塑膠降解酶。他們挖掘了3個深海高活性新型嗜鹽PET塑膠降解酶，其在3天內對PET薄膜降解率達到83%，是已報導的IsPETase塑膠降解酶活性的44倍。
“塑膠污染是全球性難題。以PET生物酶法降解、再生和陞級PET塑膠，可以解决塑膠污染，提升環境生態效益，是該領域的研究熱點。新型PET塑膠降解酶有望推動PET塑膠的綠色、低碳、可持續利用，减少塑膠製造工業對石油的依賴和碳排放。”論文共同通訊作者、山東大學微生物科技國家重點實驗室常務副主任李盛英表示。
據瞭解，現時GOMC已存儲於國家基因庫生命大數據平臺。研究團隊基於GOMC和自有的極端生境基因數據，進一步開發了貫穿序列鑒定、結構預測與聚類、酶蛋白活性位點精准預測和高通量基因合成等全鏈條人工智慧科技輔助的功能基因挖掘科技體系，並面向全球學者提供海洋及極端環境來源的新型酶高效挖掘技術服務平臺。
論文共同通訊作者、華大生命科學研究院主任科學家範廣益表示：“這一研究標誌著海洋宏基因組學領域的一個新高度，凸顯了海洋微生物組在改善人類福祉、促進環境可持續發展上的關鍵作用。這些發現不僅為全球科學家對海洋的永續探索和利用開闢了廣闊前景，也為未來生物技術和生物醫學研究奠定了基礎。”