由Chinta sidharthan.com博士评论，由Lily Ramsey, llm2024年9月12日
测序技术的最新进展使得来自生态系统的古生菌和细菌分类群的基因组能够在以前的基因组中被发现被认为不可培养的，不能测序的。
在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中，一组研究人员分析了来自众多数据库的海洋宏基因组，并开发了海洋细菌和古细菌的全面全球海洋微生物组基因组目录(GOMC)，以促进这些知识在医学、生物技术和环境科学领域的潜在应用。
研究:全球海洋微生物多样性及其在生物勘探中的潜力。图片来源:Andrey_Kuzmin/Shutterstock.com
古细菌和细菌构成了海洋细胞的很大一部分，数量约为1029，在生物地球化学和生态过程中起着至关重要的作用。
这些微生物在分类上是多样化的，并表现出一系列代谢特征，使它们能够适应不断变化的环境。
最近测序技术的突破使科学家们能够研究海洋微生物，而以前由于海洋微生物的不可培养性而对其研究不足。
虽然这项技术和诸如Tara海洋考察和全球海洋采样(GOS)等项目大大改善了海洋微生物群落的宏基因组数据，但评估这些数据在生物医学和生物技术应用中的功能价值的研究很少。
研究人员认为，对深海和海洋等未被开发的生态系统的微生物多样性进行统一的基因组目录，并利用先进的工具和实验研究来检查海洋微生物的生物技术和生物医学应用，可以显著提高海洋勘探的范围。
在本研究中，研究人员分析了来自欧洲生物信息学研究所(EBI)、国家生物技术信息中心(NCBI)和联合基因组研究所(JGI)等公共数据库的海洋宏基因组，并生成了超过43,000个宏基因组组装基因组或MAGs。
MAGs与其他数据库(如海洋微生物数据库和OceanDNA)中的海洋古细菌和细菌基因组相结合，创建了一个统一的目录。基因组数据库也进行了分类注释。
研究人员对古细菌和细菌的mag进行了统计分析，并使用统一流形近似和投影(UMAP)来检查它们的生物地理模式和分析微生物多样性。此外，UMAP允许研究人员利用生物地理分布和海洋深度来确定代表不同海洋生态系统的宏基因组省。
使用了许多生物信息学和统计工具对数据库进行功能性注释。功能注释包括开放阅读框和蛋白家族的识别。
此外，使用CRISPRCasTyper和AcaFinder等特定工具检测集群规则间隔短回文重复序列(CRISPR)-CRISPR相关蛋白(Cas)系统和抗菌耐药基因，以及抗CRISPR基因和抗CRISPR相关蛋白的基因。
MAGs还用于确定微生物的理想生长温度，然后用于将微生物分为六类，从可以在极低温度下生长的嗜冷菌到可以在极高温度下生存的超嗜热菌。
此外，还进行了实验室实验来验证新发现的酶、抗菌肽、CRISRP-Cas9系统和嗜盐性PET酶(从微生物中分离的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)降解酶)，这些酶可以在高盐度地区生存。
祖先蛋白质组重建和系统发育回归也用于分析其他基因组特征，如基因组大小和功能基因含量。通过探索各种Cas9蛋白的结构和功能，进一步详细检查了CRISPR-Cas9活性。
这项研究导致了全球海洋微生物组基因组目录(GOMC)的创建，该目录由大约138门和3470个微生物属的中等到高质量的MAGs组成，其中许多是以前未知的。
该综合全球目录包括超过24,000个非冗余基因组，其中41%是本研究中新恢复的，大大扩展了我们对海洋微生物多样性的认识，特别是来自深海和其他深海区的认识。
研究人员还确定了海洋微生物组的生物地理模式，并揭示了56个具有深度特异性的宏基因组省。
本研究还强调了大型细菌基因组的进化作用以及环境变异性对基因组大小的影响，鉴定了300个大型基因组，包括来自植物门的新基因组。
此外，本研究通过研究细菌防御机制，通过鉴定新的CRISPR-Cas9系统、塑料降解酶和抗菌肽，强调了GOMC在海洋生物勘探中的潜在应用。
研究结果还表明，在细菌防御系统之间存在潜在的权衡，具有CRISPR-Cas系统的细菌具有较少的抗生素抗性基因。
本研究中鉴定的新的CRISPR-Cas系统Om1Cas9也显示出强大的体外脱氧核糖核酸(DNA)编辑活性，在体外培养的人类细胞中，在22°C至42°C之间切割DNA，切割效率为93.83%。
在海洋微生物组中发现的生物合成基因簇还揭示了121种新的抗菌肽，其中一些具有较强的抗菌活性。在研究中发现的六种petase中，有三种表现出高塑料降解活性，特别是在高盐条件下。
总而言之，该研究建立了一个全面的全球海洋微生物基因组数据库，可用于海洋生物勘探。
利用GOMC数据库进行的初步分析还鉴定出一种新的CRISPR-Cas9系统，超过120种抗菌肽和6种塑料降解酶。
这些发现突出了海洋微生物组在生物医学和生物技术领域应用的巨大潜力。
