海量基因组研究为全球海洋微生物“建档”

🌊 华大生命科学研究院团队在《自然》（Nature）杂志揭示海洋微生物多样性及其生物勘探潜力，并成功发现新型基因编辑工具、抗菌肽及塑料降解酶。

全球海洋蕴藏着惊人的微生物多样性，这是一座尚未被充分开发的巨大宝库。2024年9月4日，一项发表在《自然》（Nature）杂志上的重磅研究，展示了由华大生命科学研究院、山东大学、英国东安格利亚大学及其他国际合作伙伴共同完成的里程碑式成果：为这些多样性“建档”，并解锁其在生物技术领域的应用。华大研究院的主要贡献者包括范广益、张文蔚、刘心、孙颖、陈建威和贾洋洋。

💡 挑战：从数据到发现

尽管测序技术已经产生了海量的海洋微生物基因组数据，但将这些数据转化为实际的生物技术或生物医药应用一直是一项挑战。本研究旨在搭建连接“数字序列”与“实际应用”的桥梁。

🌍 构建全球海洋微生物组编目 (GOMC)

研究团队对海量的公开海洋宏基因组数据进行了重分析，取得了以下成果：

• 🧬 基因组恢复： 从多样化的海洋环境中重建了 43,191 个独特的微生物基因组 (MAGs)。
• 📖 统一编目 (GOMC)： 通过与现有数据库整合，构建了包含近 24,200 个独特物种水平基因组的 GOMC，极大扩展了人类已知的海洋微生物多样性。
• 🦠 科学新见解： 解析了基因组特征，包括发现了目前已知的最大海洋细菌基因组（高达 18.4 Mb），并揭示了微生物防御系统（CRISPR-Cas）与抗生素抗性基因之间复杂的权衡关系。

✨ 生物勘探的成功：挖掘海洋基因组

研究资源通过“计算机模拟挖掘（In silico bioprospecting）”与“实验验证”相结合，证明了其强大的应用潜力：

• ✂️ 新型 CRISPR-Cas9 系统： 发现了一种名为 Om1Cas9 的紧凑且高效的新型基因编辑工具，并在体外及人体细胞系中证实了其活性。
• 💊 新型抗菌肽 (AMPs)： 鉴定了 1,000 多种潜在抗菌肽。通过合成并筛选 10 个候选物，发现其中 cAMP_87 对多种病原体具有强效、广谱的抗菌活性。
• ♻️ 强效塑料降解酶： 从深海环境中发现了新型 PETase（分解 PET 塑料的酶）。其中 3 个候选物表现出卓越的 PET 降解活性，特别是在高盐条件下，性能优于目前已知的酶。

🚀 意义：面向未来的资源

这项全面的研究不仅为海洋生态系统和微生物进化的基础研究提供了宝贵资源——GOMC 及其相关的蛋白质编目 (GOPC)，还强有力地证明了：通过有效地挖掘全球基因组数据，可以为医药、生物技术和环境治理找到切实的解决方案。

成功鉴定并验证新型基因编辑工具、潜在抗生素和塑料降解酶，凸显了潜藏在海洋微生物组中巨大的、可利用的潜力。

💡 个人思考

这个项目起源于华大研究院青岛分院成立之初。当时我们迫切需要在海洋领域开展基础性工作，特别是数据库相关的基石研究。因此，我们启动了对海洋基因组学各方面现有数据的整理和总结。在 2018 年，我们完成了针对植物、动物和微生物的总结，并最终形成了海洋白皮书。这份文件不仅整合了当时公开的基因组数据，还探讨了海洋基因组学未来的潜在方向。

本文的第一作者陈建威当时负责白皮书中微生物内容的总结，因为他已经在华大领导环境宏基因组研究。在他的带领下，团队从公开数据库中全面收集并整理了海洋微生物数据，创建了一个完整的数据库。他们进行了从头组装（de novo assembly）并重新推导了微生物的功能元件。随后的工作涉及与合作伙伴在数据挖掘和功能验证方面的深度合作，最终通过共同努力发表了这篇论文。

该项目成功的关键在于利用大规模数据集，并保持长期攻坚克难的毅力。这种方法被证明是取得这些重大成果的必经之路。

📄 出版信息

• 论文标题： Chen, J., Jia, Y., Sun, Y. et al. Global marine microbial diversity and its potential in bioprospecting. Nature (2024).
• 在线发表： 2024年9月4日
• DOI: 🔗 https://doi.org/10.1038/s41586-024-07891-2
• 数据资源： 🌐 在国家基因库大数据平台（CNGBdb）进行交互式探索： https://db.cngb.org/maya/datasets/MDB0000002