9月4日晚，華大生命科學研究院聯合山東大學、英國東安格利亞大學、中國海洋大學、廈門大學、丹麥哥本哈根大學等機構，在全球頂級學術期刊《自然》（Nature）上發表了一項重磅研究成果：通過對目前已公開的海洋微生物宏基因組數據進行分析和深度挖掘，不僅構建了迄今為止最完整的海洋微生物基因數據庫，更從中發現了大量具有應用潛力的基因資源，為開發新型基因編輯工具、抗菌肽、PET塑料降解酶等提供了全新的思路，將極大地推動相關產業的應用發展。
Nature 文章截圖
構建迄今為止最完整的海洋微生物組數據庫
研究團隊歷時五年，通過對目前已公開的接近240 Tb海洋微生物宏基因組數據進行重分析，構建了擁有超4.31萬個海洋微生物基因組和24.58億個基因序列的海洋微生物組數據庫The Global Ocean Microbiome Catalogue（GOMC），包含從南極到北極、從近海到深遠海、從表層海洋到萬米超深淵等多樣化的海洋生態系統。該數據庫是已報道海洋基因組數據庫 Tara Ocean 的3倍、蛋白序列庫的60倍。其中，2萬多個微生物是潛在新發現物種，近1萬個微生物為在深海等獨特生境中首次發現。
本研究使用宏基因組分箱技術對海量數據進行重分析，可獲取環境中大量不可培養微生物的全基因組序列，獲得新物種的基因組及其功能信息等，避免了大部分海洋微生物無法通過傳統分離培養獲得導致的信息遺漏，得到的微生物基因組更全面。而在未來基因資源利用上，基於已挖掘出有應用潛力的微生物基因組數據，結合合成生物學技術或可實現微生物活性功能的大規模開發利用。
該研究不僅極大拓寬了對海洋微生物多樣性的理解，刷新了過去認知中海洋原核微生物基因組大小的上限，揭示了缺氧海洋環境對大基因組細菌的適應性演化提供了選擇壓力，解析了全球海洋微生物群落的生物地理分佈規律，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。
作為 「千種海洋生物基因測序項目」的第一年度重要成果，該項研究為海洋微生物的演化、環境適應性、生態學研究和遺傳資源開發與利用提供了前所未有的機遇。
全球海洋微生物基因組數據集概覽
解碼「基因寶藏」 助力多領域產業突破
GOMC數據庫猶如一座寶庫，蘊藏着無數待發現的基因寶藏。研究團隊針對該基因數據庫，利用深度學習算法工具對其進行挖掘，發現了多項具有應用潛力的基因資源，將滄海「遺」珠打磨成耀眼的滄海「明」珠：
新型「基因剪刀」：在本研究中，研究團隊鑑定出了36個新型CRISPR-Cas9基因編輯系統，並挖掘出了一個具有潛在應用價值的新型Cas9編輯系統（Om1Cas9），將助力我國在基因編輯工具使用上具有更多獨立性和選擇。
抗生素替代：研究團隊鑑定了117個新型抗菌肽，並通過生物合成和實驗驗證發現其中10個抗菌肽具有顯著抗菌活性及廣譜抗菌效果。基於該成果，華大目前已聯合香港理工大學成立香港理工大學-華大?全球深海資源基因組學和合成生物學聯合研究中心，實施進一步研發和產業化，或將為抗生素耐藥性難題提供新的解決方案。
破解塑料污染難題：塑料污染是全球性難題。團隊發掘了3個深海來源的高活性新型嗜鹽PET塑料降解酶，3天內對PET薄膜降解率達到83%，是已報道的IsPETase塑料降解酶活性的44倍。以PET生物酶法來降解、再生和升級PET塑料可以解決塑料污染，提升環境生態效益，是全球科學研究和產業應用的熱點。本研究挖掘的新型PET塑料降解酶或將助力我國實現PET塑料的綠色低碳可持續利用，減少塑料製造工業對石油的依賴和碳排放。
目前，GOMC數據庫已存儲於國家基因庫生命大數據平台。研究團隊基於GOMC和自有的極端生境基因數據，進一步開發了貫穿序列鑑定、結構預測與聚類、酶蛋白活性位點精準預測和高通量基因合成等全鏈條AI技術輔助的功能基因挖掘技術體系，並面向全球學者提供海洋及極端環境來源的新型酶高效挖掘技術服務平台。
「本研究標誌着海洋宏基因組學領域的一個新高度，凸顯了海洋微生物組在改善人類福祉和促進環境可持續性發展上的關鍵作用。這些發現不僅為全球科學家對海洋的可持續探索和利用開闢了廣闊前景，也為未來的生物技術和生物醫學研究奠定了基礎。」文章共同第一作者、華大生命科學研究院陳建威博士表示。
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教授也表示：「該成果將對於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」。
華大生命科學研究院范廣益研究員、章文蔚研究員，山東大學李盛英教授，英國東安格利亞大學Thomas Mock教授及華大生命科學研究院孫穎博士為論文共同通訊作者。華大生命科學研究院陳建威博士、賈洋洋博士、孫穎博士和山東大學劉琨助理研究員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、青島西海岸新區重大科技創新專項、青島自貿片區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聯合資助。（記者 林麗青）