Ученые обнаружили множество морских микроорганизмов, которые можно использовать для разработки новых антибиотиков и разложения пластика

За последние 20 лет ученые значительно увеличили количество микробных геномов, собранных в океане, что может помочь решить такие серьезные проблемы, как нехватка антибиотиков, решения проблемы загрязнения пластиком и редактирование генома. Однако всегда было сложно применить информацию о микробном геноме в биотехнологии и медицине.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, под названием «Глобальное морское микробное разнообразие и его потенциал в биоразведке», проведенном Исследовательским центром геномики BGI в Китае в сотрудничестве с Шаньдунским университетом, Сямыньским университетом, Китайским океаническим университетом, Копенгагенским университетом в Дании, и Университета Восточной Англии в Великобритании, исследователи проанализировали геномы почти 43200 микроорганизмов (бактерий, архей) из морских образцов и обнаружили обширное разнообразие в 138 различных популяциях. Они дают новое представление о том, как меняется размер генома, например о том, как морские микроорганизмы балансируют систему CRISPR Cas (часть их иммунной защиты) с генами устойчивости к антибиотикам. Многие из этих генов активируются антибиотиками, чтобы помочь микроорганизмам выжить.

Система CRISPR Cas и гены устойчивости к антибиотикам также являются частью бактериальной иммунной системы. Используя компьютерные методы, исследовательская группа обнаружила новую систему CRISPR-Cas9 и 10 антимикробных пептидов, которые являются еще одним важным компонентом иммунной системы у различных организмов.

Антибиотики, включая антибиотики, противовирусные препараты, противогрибковые и противопаразитарные препараты, — это препараты, используемые для профилактики и лечения инфекций у людей, животных и растений. По данным Всемирной организации здравоохранения, растущая распространенность лекарственной устойчивости, вызванная чрезмерным употреблением некоторых лекарств, представляет угрозу для эффективной профилактики и лечения все большего числа инфекций, что делает необходимым поиск новых типов.

Исследовательская группа также обнаружила три фермента, которые могут расщеплять обычный пластик, загрязняющий океан — полиэтилентерефталат (ПЭТ), который является еще одной серьезной проблемой для окружающей среды и здоровья. Лабораторные эксперименты подтвердили результаты исследований морской метагеномики, указывая на ее потенциальную практичность.

Томас Мок, профессор морской микробиологии Школы наук об окружающей среде Университета Восточной Англии, заявил, что «эта работа выводит область морской метагеномики на «новый уровень». Это исследование показывает, как крупномасштабное метагеномное секвенирование морского микробиома может помочь нам понять разнообразие морских микробов и закономерности его эволюции, а также найти новые способы применения этих знаний в биотехнологии и медицине.

Океан — самая большая и важная экосистема на Земле, а взаимодействие между морскими микроорганизмами и окружающей их средой лежит в основе таких процессов, как фиксация углерода и круговорот питательных веществ в глобальном масштабе. Эти взаимодействия способствуют пригодности для жизни на Земле. Такие факторы, как соленость, изменения температуры, доступность света и разница давлений от поверхности до морского дна, от полюсов до тропиков, создают уникальное давление отбора, которое влияет на адаптацию и коэволюцию морских микроорганизмов.

Основываясь на этих открытиях, исследователи используют библиотеку геномов морских микробов, полученную в результате метагеномики, в качестве ключевого ресурса для анализа генома и биологических исследований, что позволяет открывать новые генетические инструменты и биологически активные соединения.
Эти данные охватывают различные морские среды по всему миру: от полярных регионов до полярных регионов, от поверхности моря до самых глубоких впадин. Это исследование значительно улучшает понимание людьми морского микробиома за счет создания новой общедоступной базы данных, которая включает около 24 200 наборов генов видового уровня.

Исследователи заявили: «Хотя предыдущие исследования предоставили предварительное представление о роли океанских систем в поддержании биоразнообразия, это новое исследование не только основано на предыдущих открытиях, но также предоставляет новые возможности для устойчивого исследования и использования океана. Используя анализ генома морской микробиоты на основе глубокого обучения в сочетании с биохимическими и биофизическими лабораторными экспериментами, продвижение этой работы демонстрирует огромный потенциал для решения глобальных проблем, таких как нехватка антибиотиков и загрязнение океана. В исследовании подчеркивается решающая роль морской микробиоты в улучшении благосостояния человека и его развитии.