让沧海“遗珠”变“明珠”

　　□本报记者 刘腾

　　“海洋中有很多珍贵资源，宛如一颗颗‘沧海遗珠’。我们现在所做的，就是把‘遗珠’变‘明珠’。”在9月5日举行的“千种海洋生物基因测序项目”暨全球海洋微生物基因库建设及应用成果联合发布会上，青岛华大基因研究院院长范广益这样介绍刚刚在线发表在全球顶级学术期刊《自然》上的一项重要研究成果。
　　据悉，华大生命科学研究院联合山东大学、英国东安格利亚大学、中国海洋大学、厦门大学、丹麦哥本哈根大学等机构，通过对目前已公开的海洋微生物宏基因组数据进行分析和深度挖掘，不仅构建了迄今为止最完整的海洋微生物基因数据库，更从中发现了大量具有应用潜力的基因资源，为开发新型基因编辑工具、抗菌肽、PET塑料降解酶等提供了全新的思路，将极大地推动相关产业的应用发展。相关成果于9月4日晚在线发表在《自然》上。
　　该项研究作为青岛自贸片区“千种海洋生物基因测序项目”第一年度重要成果，为海洋微生物的演化、环境适应性、生态学研究和遗传资源开发与利用提供了前所未有的机遇。
　　构建最完整海洋微生物组数据库

　　研究团队历时五年，通过对目前已公开的海洋微生物宏基因组数据进行重分析，构建了拥有超4.31万个海洋微生物基因组和24.58亿个基因序列的海洋微生物组数据库GOMC，包含从南极到北极、从近海到深远海、从表层海洋到万米超深渊等多样化的海洋生态系统。
　　该数据库是已报道海洋基因组数据库Tara Ocean的3倍、蛋白序列库的60倍。其中，2万多个微生物是潜在新发现物种，近1万个微生物为在深海等独特生境中首次发现。
　　本研究使用宏基因组分箱技术对海量数据进行重分析，可获取环境中大量不可培养微生物的全基因组序列，获得新物种的基因组及其功能信息等，避免了大部分海洋微生物无法通过传统分离培养获得导致的信息遗漏，得到的微生物基因组更全面。而在未来基因资源利用上，基于已挖掘出有应用潜力的微生物基因组数据，结合合成生物学技术或可实现微生物活性功能的大规模开发利用。
　　据了解，宏基因组通常指特定环境中微生物群落所有遗传物质的集合，例如肠道菌群、土壤微生物等，由于其包含的微生物种类及数量极其庞大，研究者通常会将其作为一个整体来进行研究，分析其中各种微生物的功能和彼此之间的关系及相互作用。
　　该研究不仅极大拓宽了对海洋微生物多样性的理解，刷新了过去认知中海洋原核微生物基因组大小的上限，揭示了缺氧海洋环境对大基因组细菌的适应性演化提供了选择压力，解析了全球海洋微生物群落的生物地理分布规律，为理解微生物在不同海洋环境中的遗传连通性提供了新的视角。

　　“基因宝藏”助力多领域产业突破

　　GOMC数据库犹如一座宝库，蕴藏着无数待发现的“基因宝藏”。研究团队针对该基因数据库，利用深度学习算法工具对其进行挖掘，发现了多项具有应用潜力的基因资源。
　　论文通讯作者范广益介绍，研究团队鉴定出了36个新型CRISPR-Cas9基因编辑系统，并挖掘出了一个具有潜在应用价值的新型Cas9编辑系统（Om1Cas9），将助力我国在基因编辑工具使用上具有更多独立性和选择。
　　此外，研究团队鉴定了117个新型抗菌肽，并通过生物合成和实验验证发现其中10个抗菌肽具有显著抗菌活性及广谱抗菌效果。基于该成果，华大目前已联合香港理工大学成立香港理工大学-华大·全球深海资源基因组学和合成生物学联合研究中心，实施进一步研发和产业化，或将为抗生素耐药性难题提供新的解决方案。团队还发掘了3个深海来源的高活性新型嗜盐PET塑料降解酶，3天内对PET薄膜降解率达到83%，是已报道的IsPETase塑料降解酶活性的44倍，或将助力我国实现PET塑料的绿色低碳可持续利用。
　　目前，GOMC数据库已存储于国家基因库生命大数据平台。研究团队基于GOMC和自有的极端生境基因数据，进一步开发了贯穿序列鉴定、结构预测与聚类、酶蛋白活性位点精准预测和高通量基因合成等全链条AI技术辅助的功能基因挖掘技术体系，并面向全球学者提供海洋及极端环境来源的新型酶高效挖掘技术服务平台。
　　“本研究标志着海洋宏基因组学领域的一个新高度，凸显了海洋微生物组在改善人类福祉和促进环境可持续性发展上的关键作用。这些发现不仅为全球科学家对海洋的可持续探索和利用开辟了广阔前景，也为未来的生物技术和生物医学研究奠定了基础。”论文共同第一作者、华大生命科学研究院博士陈建威表示。
　　对于本研究成果，国际著名海洋微生物生态学研究专家A.Murat Eren表示：“该研究很好地证明了海洋微生物的无限可能，为在海量基因组数据中挖掘生物技术与生物医学相关的宝贵资源指引了方向”。
　　科研创新赋能海洋经济高质量发展

　　青岛自贸片区获批五年以来，海洋经济发展潜力与韧性彰显，呈现出产业规模逐步扩大、产业结构持续优化、新兴产业增势强劲的态势。
　　2023年，青岛自贸片区海洋生产总值224.36亿元，同比增长7.1%，高于全市0.6个百分点，特别在海洋科研领域取得丰硕成果，海洋基因测序全球贡献度28%，国信制药抗肿瘤海洋一类新药BG136临床一期顺利完成。正在积极争取国家支持发展海洋经济集成改革一揽子举措落地实施。同时，根据商务部《自贸试验区重点工作清单（2023-2025年）》有关部署，片区承担“千种海洋生物基因测序”工作任务，目前，已完成310余种海洋生物基因测序工作，构建起全球海洋微生物数据库。
　　近年来，片区超前谋划发展基因与细胞产业，全面瞄准装备及原料生产、基因技术应用服务“两大方向”，基础研究、应用研究、产业转化“三箭齐发”，精准布局海洋生物解读、基因测序装备及试剂、分子生物育种、基因精准健康和合成生物等五大领域。目前，已成功入选山东省未来产业集群、纳入青岛市基因与细胞产业核心区，引进华大智造、正大制药等具有核心竞争力企业47家，总投资超120亿元，年产值突破29亿元。青岛华大、清原农冠等10家公司入选全市行业重点企业，占全市2/3，6个项目入选全市行业重点项目，占全市6/7。
　　“这次海洋微生物最新研究成果在《自然》在线发布，是近年来全球微生物领域在国际顶级期刊发布的为数不多的重大研究成果。我们相信依托青岛自贸片区在海洋科研创新领域的先发优势，在大家共同努力下，未来必将取得更多重要成果，助力青岛现代海洋资源开发、水产育种、海洋生物医药研发及产业应用。”西海岸新区工委副书记、青岛自贸片区管委主任高善武表示。