研究人員對3.175億個海洋微生物的基因信息進行了分析和編目

研究人員發(fā)現(xiàn)了屬于海洋微生物的 3.17 億個獨特基因簇。該庫也是世界上最大的開源基因目錄，但也僅代表了海洋元基因組學的"冰山一角"，為探索如何將這些基因資源用于醫(yī)藥、能源、食品和其他行業(yè)提供了工具。

海洋微生物組是一個巨大的、高度多樣化的基因庫，具有復雜的新陳代謝能力。全球海洋基因組已被證明是科學的重要資源，尤其是在健康領域。例如，最初從水母中分離出來的綠色熒光蛋白現(xiàn)在已被廣泛應用于醫(yī)學成像診斷；生活在熱液噴口周圍的細菌是用于檢測 SARS-CoV-2 的 PCR 測試中聚合酶的來源。但是，還有更多的基因有待發(fā)現(xiàn)。

元基因組學是對直接取自環(huán)境或臨床樣本的遺傳物質的研究，可以將基因功能與基因所屬的生物體相匹配。分析數(shù)百萬海洋微生物的基因構成是一項艱巨的任務。值得慶幸的是，人工智能的興起和計算能力的提高使得大規(guī)模的元基因組分析成為可能。

現(xiàn)在，阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的研究人員與西班牙國家研究委員會（CSIC）海洋科學研究所合作，對居住在海洋中的微生物的大量基因信息進行了分析和編目。

研究人員利用 2021 年發(fā)明的 KAUST 元基因組分析平臺 (KMAP) 分析了 2102 份海洋樣本。大部分（78.5%）樣本采集于上層海洋（0 至 200 米/656 英尺）；7.2%采集于中層海洋（200 米/656 英尺至 1000 米/3281 英尺）；10.2%采集于暗層海洋，深度低于 1000 米/3281 英尺。

他們的DNA測序分析確定了3.175億個獨特的基因簇，并利用這些基因簇創(chuàng)建了KMAP全球海洋基因目錄1.0，這是世界上最大的海洋微生物開源目錄，可將微生物與基因功能、地理位置和棲息地類型相匹配。除了增進我們對海洋微生物群及其新陳代謝能力的了解外，所提供的信息還能幫助科學家追蹤全球變暖、污染和整體海洋健康狀況，并為探索新型基因在醫(yī)藥、能源、食品和其他行業(yè)的潛在用途提供了工具。

該研究的通訊作者卡洛斯-杜阿爾特（Carlos Duarte）說："科學家可以遠程訪問目錄，研究不同的海洋生態(tài)系統(tǒng)是如何運作的，跟蹤污染和全球變暖的影響，尋找生物技術應用，如新型抗生素或分解塑料的新方法。我們目前正在經(jīng)歷的人工智能加速發(fā)展很可能會在識別我們正在發(fā)布的海量目錄中所包含的生物技術相關基因方面發(fā)揮重要作用"。

有趣的是，在中深海區(qū)發(fā)現(xiàn)的獨特基因簇中，真菌占了 50%以上，這凸顯了真菌對微生物多樣性的貢獻。此外，95.9% 的樣本來自遠洋區(qū)，即遠離海岸的開放自由水域，4.1% 的樣本來自海底區(qū)，即洋底。底棲微生物在海洋生物地球化學循環(huán)中起著舉足輕重的作用，生物圈中生物（生物）和非生物（非生物）之間的相互作用促進了碳、氮和硫等重要元素的更替。收集有關這些微生物的信息為了解海洋生態(tài)系統(tǒng)如何適應因自然和人為原因而不斷變化的環(huán)境提供了寶貴的信息。

"我們的分析強調了繼續(xù)對海洋進行采樣的必要性，重點是那些研究不足的區(qū)域，如深海和洋底，"該研究的主要作者Elisa Liaolo說。

雖然 3.175 億個基因簇聽起來似乎很多，但研究人員知道，他們仍有很多工作要做。

杜阿爾特說："海洋基因目錄1.0中記錄的3.17億個基因組雖然令人印象深刻，但很可能只是海洋生命漫長進化史所積累的龐大功能庫的冰山一角。進一步的項目側重于對海洋中未被充分研究的棲息地進行取樣和大規(guī)模測序，其中包括研究中未包括的珊瑚和海草等生物，這些棲息地中已知有大量微生物物種，這些項目將可能揭示出比這個初始基因目錄中包含的基因數(shù)量多得多的基因。"

這項研究發(fā)表在《科學前沿》雜志上。