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《全球海洋微生物多样性及其生物勘探潜力》

  • 来源专题：深海资源开发
  • 编译者： 徐冰烨
  • 发布时间：2024-09-29
  • 在过去的二十年里，从海洋系统中检索到的微生物基因组数量显著增加。然而，将这种海洋基因组多样性转化为生物技术和生物医学应用仍然具有挑战性。在这里，我们从公开可用的海洋元基因组中回收了43,191个细菌和古菌基因组，包括138个不同门的广泛多样性，重新定义了海洋细菌基因组大小的上限，并揭示了CRISPR-Cas系统和抗生素耐药基因的发生之间的复杂权衡。在硅中，对这些海洋基因组的生物勘探导致了一种新的CRISPR-Cas9系统、十种抗菌肽和三种降解对苯二甲酸乙二醇酯的酶。体外实验证实了它们的有效性和功效。这项工作提供了证据，表明全球规模的测序倡议促进了我们对微生物多样性如何在海洋中演变和维持的理解，并展示了如何可持续地利用此类倡议来推进生物技术和生物医学。
  • 原文来源：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07891-2
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相关报告

  • 《全球海洋微生物组的生物合成潜力》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2022-07-01
    • 瑞士苏黎世联邦理工学院微生物研究所联合生物信息学研究所等多家单位开展了海洋生物合成基因簇的多样性与新颖性研究，这项研究表明微生物学驱动策略能够在未被探索的微生物群和环境中发现以前未被了解的酶和天然产物，该研究成果于2022年6月22日发表于《自然》（Nature）期刊。 天然微生物群落具有系统发育和代谢多样性的特征，驱动着全球生物地球化学循环，为食物网的构建和动植物的健康提供支撑。除了未被充分开发的生物群体，这种多样性还包含了对生态和生物技术相关的酶和生化化合物的丰富发现潜力。然而，研究这种多样性以确定这些化合物合成的基因组途径，并将它们与各自的宿主匹配，在目前仍是一个挑战。全球范围内对基因组解析数据的分析目前仍十分受限，在公共海域微生物的生物合成潜力很大程度上也仍然未知。过去十年间的技术进步使得研究人员可以直接（即不经过培养）从整个群落（宏基因组学）或单个细胞中对微生物DNA片段进行测序。将这些片段组装成更大的基因组片段并分别重建多个宏基因组组装基因组（MAGs）或单个扩增基因组（SAGs）的可能性，为以前以分类群为中心的微生物组（即微生物群落及其在给定环境中的遗传物质）的研究开辟了新的途径。最新的调查很大程度上扩展了地球上微生物多样性的系统基因组表征方式，并揭示了不同微生物组中的大部分功能多样性在过去并没有被培养微生物的参考基因组序列（REFs）所捕获。 对于海洋——地球上最大的生态系统，有超过三分之二的全球宏基因组数据仍然下落不明。因此，海洋微生物组的生物合成潜力及其作为新酶学和天然产物库的潜力在很大程度上仍未得到充分开发。研究人员通过整合所培养的10000个来自于单细胞生物的微生物基因组以及25000个来自于1000多个海水样本的重建基因组，分析了海洋生物合成基因簇的多样性与新颖性。通过不断试验，共发现约40000个新型生物合成基因簇（BGC），其中大多数来自尚未表征的基因簇家族（GCF）。在这些基因簇的类群中，包含一种含量十分丰富的生物合成基因簇（Candidatus Eudorem icrobiaceae），它类属于一个未培养的细菌门，显示出这个特有环境下最具生物合成多样性的微生物。在此基础上，研究人员表征了磷酸肽和吡咯酰胺的合成基因组途径，并发现了一些不寻常的生物活性化合物结构与酶学信息。（刘思青  编译）
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  • 《南海海洋所在抗性基因介导海洋微生物天然产物结构多样化研究中取得进展》
    • 来源专题：生物育种
    • 编译者：姜丽华
    • 发布时间：2023-05-11
    • 近日，中国科学院南海海洋研究所研究员张长生团队在抗性基因介导海洋微生物天然产物结构多样化研究中取得进展。研究揭示了糖苷酶KijX水解海洋微生物天然产物Lobophorin（LOBs）中的糖基侧链，从而介导菌株对LOBs产生抗性的新机制，阐明了异源重组菌株中LOBs的结构多样化是内源基因和外源基因簇间相互作用的结果，为抗生素耐药性和结构多样化研究提供了新思路。相关研究成果以A Widespread Glycosidase Confers Lobophorin Resistance and Host-Dependent Structural Diversity为题发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。  抗生素耐药问题正在引发全球健康危机，普遍认为耐药性的产生与抗生素的广泛使用息息相关。但越来越多的研究发现，即使在人迹罕至的冻土和洞穴中发现的微生物中也存在抗生素抗性基因，表明环境微生物作为抗性基因的储存库，可能是临床耐药菌株中抗性因子的起源。这也提出了一个关于抗生素与其抗性基因演化过程中“先有鸡还是先有蛋”的有趣问题：是抗生素的广泛使用催生了抗性基因的进化，还是抗性基因本已古老存在，只是因抗生素的使用而加速了其发现过程？无论如何，从环境微生物中鉴别新的抗生素抗性基因，理解其生态功能，可以为抗生素的临床耐药性提供潜在的可控措施和解决方案。  LOBs属于螺环乙酰乙酸内酯类抗生素，研究人员前期从海洋来源链霉菌Streptomyces sp. SCSIO 01127中分离到LOBs A/B，解析了LOBs生物合成中负责糖基化（LobG1、LobG2和LobG3）、糖甲基化（LobS1）和C-32羟化（LobP1）等后修饰酶的功能（图1）。但在近期研究中发现一个特别的现象：与野生型菌株产物不同，异源重组菌株S. coelicolor M1154/pCSG5560（含有lob基因簇）中产生了一系列C-9位带单糖且C-32位为羟甲基的LOBs，而意外的是，虽然LobP1体外反应确证其负责C-9位带三糖或双糖的LOBs的C-32位甲基羟化，但LobP1却不能催化C-9位带有单糖的LOBs发生羟化（图1）。那么，异源重组菌株中这些C-9位带单糖且C-32位为羟甲基的LOBs是如何产生？ 基于上述问题，通过文献调研和生物转化实验，研究人员在异源宿主中发现了一个糖苷酶KijX，可催化LOBs中C-9位多糖链的水解，但不能催化C-9位带单糖的LOBs发生糖基水解（图1）。在异源重组菌株S. coelicolor M1154/pCSG5560中，LOBs的合成经历了LobG1（C-17糖基化）、LobG3（C-9位连续添加两个糖）和LobG2（C-9位的第三个糖）催化的糖基化，KijX催化的C-9位三糖（或双糖）产物脱糖，LobG3催化的C-9位重新糖基化（单糖）的复杂过程（图2）。通过外源基因簇lob和内源基因kijX之间相互作用，最终实现了LOBs的结构多样化。 进一步生物信息学分析发现，KijX的同源酶在细菌、真菌和古菌中广泛存在。研究查询到细菌来源KijX蛋白2323个，真核生物来源68个，古菌来源9个。体外酶学实验显示，在选取的56个不同来源的KijX同源蛋白（相似性28-91%）中51个有水解糖基的活性，部分同源蛋白的活性优于KijX。由于KijX同源蛋白广泛存在于放线菌门中，推测该酶可能为放线菌对抗环境中LOBs的一种抗性机制。活性评价实验显示C-9位带有单糖或无糖的LOBs对放线菌指示菌株没有抑制活性；C-9位带有三糖或双糖的LOBs能够抑制不含kijX及同源酶基因的放线菌的生长。导入kijX基因后，敏感菌株对LOBs产生抗性。相反，C-9位带有三糖或双糖的LOBs不能抑制含有kijX及同源基因的放线菌的生长，但敲除kijX及同源基因后，菌株对LOBs敏感（图3）。这些实验证实了kijX及其同源基因为LOBs的抗性基因。菌株间的拮抗实验显示同样的结果，表明菌株通过产生LOBs来抑制同一生境中其他微生物的生长以获得竞争优势，体现了环境微生物间的一种共进化关系（图3）。 为了进一步阐明这类特殊糖苷酶的作用机制，研究人员解析了AcvX（KijX同源蛋白）的晶体结构。与AlphaFold2预测的15个其他KijX同源蛋白结构比较显示，这类酶含有典型的GH113家族糖基水解酶的（β/α）8桶状结构，但与典型GH113家族水解酶相比，KijX及其同源酶与底物结合的口袋呈现出特征的带负电的凹槽，这个负电凹槽是该类酶特异性对LOBs产生水解作用的关键结构特征。研究进一步通过晶体叠加和点突变分析找到了该类蛋白可能的催化位点，并推测了其催化机制。  绝大多数KijX同源酶在该研究之前被注释为未知功能蛋白，含有kijX的微生物在环境中分布非常广泛，涵盖了沙漠、海洋和深洞，以及人体和动物的肠道微生物。与此相反，含有LOB生物合成基因簇的微生物大多数来自于海洋环境。由此推测某些抗生素的抗性基因本已古老存在，抗生素的广泛使用加速了其发现过程。kijX及其同源基因作为LOBs的抗性基因是巧合还是必然，是否其进化的目的是为抵抗环境中的LOBs均还未知，它们的原始生物学功能有待进一步研究。 相关研究工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重大项目等的支持。
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