中外科學家合作建立全球最大海洋微生物組數據庫

9月4日，國際頂級期刊《自然》（Nature）在線發表中外科學家的合作成果“ Global marine microbial diversity and its potential in bioprospecting ”。該成果建立了全球最大的海洋微生物組數據庫，從中發掘塑料降解酶、基因編輯工具、抗菌肽等重要基因資源。山東大學微生物技術國家重點實驗室教授李盛英為文章共同通訊作者，助理研究員劉琨為文章共同第一作者。

微生物已在生物制造、生物醫藥、生物農業、環境治理等領域有了廣泛的應用，這些應用大部分源自陸地微生物的長期研究開發，而占地球表面積70%以上的海洋中蘊含的微生物資源卻尚未得到充分開發。近20年來，海洋探采技術、高通量測序技術以及宏基因組學研究日新月異，海洋微生物測序數據呈現爆炸式增長，海洋微生物功能基因和功能酶資源的開發應用有望取得重大突破，推動我國生物經濟的技術創新和產業升級。

研究團隊對目前已公開的近240 Tb海洋微生物宏基因組數據進行重分析，構建了包含超過4.31萬個海洋微生物基因組和24.58億條基因序列的大型數據庫，深度揭示了海洋微生物的物種多樣性，并成功發現多種PET塑料降解酶、新型CRISPR-Cas系統和高活性抗菌肽。研究成果不僅為海洋微生物的演化、環境適應性及生態學研究提供了前所未有的機遇，同時為海洋微生物基因資源的開發提供了實踐案例，將極大地推動海洋微生物資源在相關產業的應用發展。

本研究構建了迄今為止最大、最完整的“全球海洋微生物組數據庫”——The Global Ocean Microbiome（GOMC）。該數據庫包含了24195個物種水平的非冗余基因組，其中近1萬個基因組是本研究所特有的發現，主要來自于深海、沉積物、共附生等生境，極大拓寬了我們對海洋微生物多樣性的理解，刷新了海洋原核微生物基因組大小的上限，揭示了缺氧海洋環境中大基因組細菌的適應性演化規律，解析了全球海洋微生物群落的生物地理分布，為理解微生物在不同海洋環境中的遺傳連通性提供了新的視角。

研究團隊進一步構建了包含24.58億非冗余基因序列的蛋白質數據庫（GOPC）。針對塑料廢棄物對海洋環境造成的日益嚴峻的白色污染，利用GOPC進行了PET塑料降解酶的定向挖掘，從深海熱液噴口及深淵海溝的樣品測序數據中篩選出3個嗜鹽耐熱PET水解酶，其催化活性隨NaCl濃度的升高而增加，比陸地微生物中發現的IsPETase活性高12-44倍。活性最高的dsPETase05可在3天內將PET膜大部分降解，降解率達到83%。這是國際上首次從深海中發現的高活性PET水解酶，不僅展示了GOPC在生物勘探領域的應用潛力，也為PET塑料的生物降解與再生這一熱點領域提供了全新的工具。

國際著名海洋微生物生態學研究專家A. Murat Eren教授表示，“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”。另一位海洋微生物多樣性研究專家Tom O. Delmont表示，“該成果將對研究和利用海洋微生物相關的多個研究領域產生持續、長久的積極影響”。研究成果標志著海洋宏基因組學領域的一個新高度，凸顯了海洋微生物在改善人類福祉和促進環境可持續性方面的關鍵作用。這些發現不僅為海洋的可持續探索和利用開辟了廣闊空間，也為未來的生物技術和生物醫學研究提供了新的選擇。

華大研究院研究員范廣益、章文蔚，山東大學教授李盛英，英國東英吉利大學教授Thomas Mock，華大研究院孫穎為論文共同通訊作者。華大研究院陳建威、賈洋洋、孫穎，山東大學劉琨為論文共同第一作者。本研究受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、廣東省海洋生物重點專項、青島西海岸新區創新專項、青島市千種海洋生物基因測序項目、三亞崖州灣科技城項目等項目的聯合資助。