Under de senaste 20 åren har forskare avsevärt ökat mängden mikrobiella genom som samlas in från havet, vilket kan hjälpa till att hantera stora utmaningar som antibiotikabrist, plastföroreningslösningar och genomredigering. Det har dock alltid varit svårt att tillämpa mikrobiell genominformation på bioteknik och medicin.
I en ny studie publicerad i Nature med titeln "Global Marine Microbial Diversity and Its Potential in Bioprospecting", ledd av BGI Genomics Research Center i Kina, i samarbete med Shandong University, Xiamen University, Ocean University of China, University of Copenhagen i Danmark, och University of East Anglia i Storbritannien, analyserade forskare genomerna av nästan 43200 mikroorganismer (bakterier, arkeor) från marina prover och upptäckte omfattande mångfald i 138 olika populationer. De ger nya insikter om hur genomstorleken utvecklas, till exempel hur marina mikroorganismer balanserar CRISPR Cas-systemet (en del av deras immunförsvar) med antibiotikaresistensgener. Många av dessa gener aktiveras av antibiotika för att hjälpa mikroorganismer att överleva.
CRISP Cas-systemet och antibiotikaresistensgener är också en del av det bakteriella immunförsvaret. Med hjälp av datorbaserade metoder upptäckte forskargruppen ett nytt CRISPR-Cas9-system och 10 antimikrobiella peptider, som är en annan viktig komponent i immunsystemet i olika organismer.
Antibiotika, inklusive antibiotika, antivirala läkemedel, svampdödande läkemedel och antiparasitära läkemedel, är läkemedel som används för att förebygga och behandla infektioner hos människor, djur och växter. Enligt Världshälsoorganisationen utgör den ökande prevalensen av läkemedelsresistens orsakad av överanvändning av vissa läkemedel ett hot mot effektiv förebyggande och behandling av ett ökande antal infektioner, vilket gör det nödvändigt att söka nya typer.
Forskargruppen upptäckte också tre enzymer som kan bryta ner en vanlig plast som förorenar havet - polyetylentereftalat (PET), som är en annan stor miljö- och hälsofråga. Laboratorieexperiment har bekräftat forskningsresultaten av marin metagenomik, vilket indikerar dess potentiella praktiska funktion.
Thomas Mock, professor i marin mikrobiologi vid School of Environmental Sciences, University of East Anglia, uttalade att "det här arbetet tar området för marin metagenomik till en "ny nivå". Denna studie belyser hur storskalig metagenomisk sekvensering av den marina mikrobiomen kan hjälpa oss att förstå den marina mikrobiella mångfalden och dess evolutionära mönster, och hitta nya sätt att tillämpa denna kunskap på bioteknik och medicin.
Havet är det största och viktigaste ekosystemet på jorden, och samspelet mellan marina mikroorganismer och deras miljö ligger till grund för processer som kolfixering och kretslopp av näringsämnen på global skala. Dessa interaktioner bidrar till jordens livlighet. Faktorer som salthalt, temperaturförändringar, ljustillgänglighet och tryckskillnader från ytan till havsbotten, från polerna till tropikerna, skapar unika urvalstryck som påverkar anpassningen och samutvecklingen av marina mikroorganismer.
Baserat på dessa insikter använder forskare det marina mikrobiella genombiblioteket som hämtats från metagenomik som en nyckelresurs för genombrytning och biologisk utforskning, vilket möjliggör upptäckten av nya genetiska verktyg och bioaktiva föreningar.
Dessa data täcker olika marina miljöer över hela världen, från polarområden till polarområden, från havsytan till de djupaste dikena. Denna studie förbättrar avsevärt människors förståelse av det marina mikrobiomet genom att skapa en ny allmänt tillgänglig databas, som inkluderar cirka 24200 genuppsättningar på artnivå.
Forskarna sa: "Även om tidigare studier har gett preliminära insikter om havssystemens roll för att upprätthålla biologisk mångfald, bygger denna nya studie inte bara på tidigare upptäckter, utan ger också nya möjligheter för hållbar utforskning och utnyttjande av havet. Genom att använda djupinlärning baserad genombrytning av marin mikrobiota, kombinerat med biokemiska och biofysiska laboratorieexperiment, visar på den enorma potentialen för att ta itu med globala utmaningar som antibiotikabrist och havsföroreningar främja miljömässig hållbarhet.
