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基因是生命的“源代码”，不仅包含自然进化的奥秘，而且还涵盖了无数的生物工程资源。如何获得，分析和应用遗传数据是现代生物学的核心问题之一。

最近，一个研究团队分析并深入挖掘了海洋微生物的元基因组数据，这些数据已发表，迄今已发表，构建了最完整的海洋微生物基因数据库，并发现了几种具有应用潜力的基因资源，包括新的基因编辑工具，包括新的基因编辑工具，抗生素肽和宠物塑料塑料降解剂。这项研究发表在2024年9月4日的《自然》（自然）杂志上。团队成员来自BGI Life Sciences Research Institute，Shandong University，East Anglia大学，中国海洋大学，中国海洋大学，Xiamen大学，Xiamen大学，哥本哈根大学，哥本哈根大学，丹麦和其他机构。

海洋覆盖了地球表面的71，据估计，尚未发现超过90的物种。细菌，古细菌，病毒和其他微生物是海洋世界中最大的“居民”。 1毫升的海水大约有100万个海水，这是海洋生态学的重要组成部分。

从海水获得的所有无法区分的基因都是“宏基因组学”。从这些巨大的遗传数据中提取有用的信息对于研究人员来说是一个巨大的挑战。

In this study, the research team spent five years to reanalyze the metagenomic data of nearly 240 Tb of marine microbiomes, and constructed a marine microbiome database with more than 43,100 marine microbiome genomes and 2.458 billion gene sequences, which includes diverse marine ecosystems from Antarctic to Arctic, from near sea to far sea, from surface ocean to 10,000-meter超级宣告。其中，超过20,000种微生物是潜在的新发现的物种，在独特的栖息地（例如深海）中，将近10,000种微生物是第一个发现的微生物。

GOMC数据集的概述。图A显示了样品的地理分布；图B显示了样品的污染和完成。图C显示了主要数据库和新恢复的物种之间的重叠；图D显示了各种微生物的基因组分布。图像来源：《自然》杂志

通过数据挖掘，研究小组发现了生态定律，例如海洋微生物的基因组大小的变化以及遗传免疫机制的进化，以及可以应用于基因编辑，抗生素和塑性降解领域的大量遗传资源。

科学家如何从基因片段中减少完整的基因序列？从遗传学的角度来看，海洋生态的魔法定律是什么？在遗传数据中可以找到哪些资源，这些资源对医疗和环境有用？为了回答这些问题，Pengpai技术最近采访了该研究的相应作者，也采访了BGI Life Sciences Research Institute的Qingdao分支机构主任Fan Guangyi博士。

将零变成整体：元基因组装技术

微生物群落非常复杂，由于大多数微生物无法在实验室中种植，因此在实验室中，宏基因组技术以获取环境样品中的所有遗传信息变得非常有效。该技术的困难之一是如何从这些混合遗传信息中减少单个物种的基因组。

Fan Guangyi告诉Pengpai技术，该研究使用元基因组组装和binning技术来剪接和bin群集通过对环境样品进行测序获得的大量短序列的基因，以获得完整的基因组。这些基因组称为“元基因组组装基因组”（MAGS）。

元基因组组装涉及大量比较和计算。基因是DNA或RNA大分子中的核苷酸序列。在音序器之后，科学家可以获得序列的“片段”，称为“读取”。通过比较这些“片段”之间的重叠部分并将它们连接在一起，可以获得更长的连续序列，称为“重叠群”。

接下来，科学家需要使用分离平均水平和对等方法来确定这些序列是否通过重叠中所示的模式属于基因组。这个过程生动地称为“ binning”。相同的序列分为对应于MAG的“框”。

近年来，随着高通量测序技术的发展，宏基因组数据迅速增加，并且该组装技术已成为探索新物种和采矿遗传数据的强大工具。 Fan Guangyi提到，在这项研究中，研究小组整合了已经发布的大量海洋微生物元基因组数据库，涵盖了从极地地区到赤道的广泛海洋环境，从海洋表面到深海，极大地拓宽了对海洋微生物多样性的理解。

尽管元基因组装技术带来了许多新发现，但其产品的生物真实性仍然存在争议。 MAG的真实性不仅会受到其他物质对样品污染的影响，而且由于难以验证而受到质疑，尤其是当未发现相应物种时。

在这方面，Fan Guangyi认为，随着测序技术的发展和生物信息分析方法的改进，MAG的准确性和生物学真实性得到了显着提高。在这项研究构建的数据库中，研究小组对元基因组数据进行了质量控制，并通过物种系统发育分析和其他方法提高了构造的准确性。他说，以这种方式获得的MAG可以代表海洋微生物的真实基因组，并提供了了解微生物群落的结构和功能的重要信息。

基因组大小和免疫分布：从基因的角度来看，海洋微生物群落

通过分析重建的基因组数据，该研究发现了一些海洋微生物生物的有趣而重要的生态定律。

在生物学世界中，生物的复杂性与基因组的大小没有显着相关。例如，变形虫是一种单细胞原生动物，其基因组由6700亿对碱基对组成，而人类只有30亿对。哪些因素会影响基因组的大小？它的功能是什么？这是一个重要的问题。

Fan Guangyi说，基因组大小是适应环境变化的微生物的重要指标之一，并且与微生物的代谢复杂性，生存策略和进化史密切相关。研究发现，在海洋环境中，大型基因组细菌通常存在于具有复杂环境条件和丰富资源的栖息地中。

研究人员推测，这些细菌的基因组可能包含更多的基因，以更多样化的代谢途径和生理功能赋予它们，以便它们可以适应不断变化的海洋环境。但是，大基因组还提出了对细菌的复制和维持方面的挑战。

除基因大小外，研究还发现，在海洋微生物的免疫系统中，不同免疫策略的分布存在微妙的平衡关系。

像人类一样，一些细菌，古细菌以及其他海洋微生物也受到病毒的威胁，可以杀死细菌的抗生素也是他们的“老敌人”。对于病毒而言，许多微生物具有CRISPR-CAS系统，其中CRISPR（经常间隔的短质体重复序列簇）是一个重复的基因，可以包含和识别和破坏攻击细菌的病毒DNA。 CAS是负责剪切和破坏这些基因的蛋白质。面对“剧毒”抗生素，微生物进化了抗生素抗性基因（ARGS），从而赋予对一种或多种抗生素的抗性。

研究发现，在不同的生态环境中，微生物具有选择这两种免疫策略的特定趋势。例如，在高温环境（例如水热通风孔（海底上的特殊地质结构））中，微生物倾向于在高温环境中具有更多的CRISPR-CAS系统。同时，这两种策略的分布似乎是相互限制的。当微生物中CRISPR-CAS系统的数量增加时，ARG的数量将相对较小，并且两者在整体分布中保持一定的平衡。

Fan Guangyi提到，这种平衡可能反映了微生物在维持其遗传稳定性和适应环境应力（例如抗生素选择压力）时的复杂相互作用。 CRISPR-CAS系统可能会在一定程度上限制ARG的水平传播，但同时为外源性核酸侵袭微生物提供了保护。此外，CRISPR-CAS系统本身也可能会受到各种因素的影响，例如微生物基因组结构，环境条件，宿主- 病原体相互作用。

“这一发现强调了在了解微生物遗传系统如何适应和抵制环境中的挑战时，需要考虑各种因素和复杂的生态动态。这也为进一步研究微生物抗性基因的传输机制，开发新的抗体策略以及保护微生物资源提供了重要的科学基础，”他说。

基因编辑，抗生素，塑料分解：发现基因“宝藏”

基因是生命的“中心”：DNA携带的遗传信息通过RNA转录，翻译和合成为蛋白质，并最终形成各种组织结构以实现生命的功能。该基因包含无数资源，可以应用于医学，环境，工业等领域。在这项研究中，研究人员通过挖掘GOMC数据库发现了多个“宝藏”基因。

研究小组首先确定了几个新的CRISPR-CAS9系统。作为微生物的免疫机制，可以减少外源性入侵DNA，科学家发现该系统可用于基因编辑，并且在药物开发，基因治疗和相关研究领域具有巨大的价值，赢得了2020年诺贝尔化学奖。

Fan Guangyi提到，新的CRISPR-CAS9系统这次发现具有不同的识别特异性，靶向效率和编辑精度，这可以帮助优化和自定义现有的基因编辑工具，以提高特定生物系统中的编辑效率和准确性。此外，在特定环境中，海洋微生物的适应性可能会赋予其CRISPR-CAS系统独特的稳定性和活动，这对于在特定环境条件下可以起作用的基因编辑工具尤其重要。

该研究还通过预测生物合成基因簇（BGC，一组与基因组中化合物的合成相邻并涉及的基因，抗菌肽是抗菌肽是一类小分子肽，通过诱导或杀死经济型的细胞繁殖，与经纪性的微分肽相互依赖，该研究还鉴定了几种抗菌肽（AMP）。细胞内的生物过程。

随着人类抗生素的广泛使用，细菌耐药性已成为一种新的威胁，需要紧急开发新的抗生素。 Fan Guangyi告诉纸技术，新发现的抗菌肽对各种细菌表现出抑制作用，包括一些对传统抗生素有抗药性的菌株，从而为开发新的广谱抗生素提供了可能性。

这项研究还发现，各种水解酶对PET塑料显着活跃。 PET塑料是全名“聚对苯二甲酸酯”。它是使用最广泛的塑料材料之一，通常用于饮料瓶和食品包装中。 PET水解酶是一种可以催化PET塑料降解的生物催化剂。它可以特异性地识别和催化宠物塑料中酯键的水解，将塑料分解为较小的分子，从而开始塑料的生物降解过程，这对于解决全球塑料污染问题具有重要意义。

Fan Guangyi说，数据库中发现的水解酶表现出卤素和热稳定性，这些独特的生物学特性很可能是它们在深海等苛刻栖息地中生存和活性的关键因素。这也意味着，在面对工业应用中常见的恶劣条件下，它们仍然可以保持有效的催化活性。

“我们对筛选的石4进行了详细的生物化学分析。结果表明，它们在特定条件下具有很高的宠物膜降解效率。例如，研究中提到的Dspetase05水解酶在3天内可以在3天内降解大部分宠物膜，而降解率为44倍，比已知的ISPETSE降解率高44倍。扇形广尼说。

Fan Guangyi说：“ GOMC数据库为未来的研究提供了丰富的资源，包括开发新生物技术产品，探索微生物的生态功能，对微生物与环境变化之间关系的研究以及新疾病治疗方法的发展。”