Nowe badania pokazują, w jaki sposób oceany mogą pomóc w rozwiązaniu poważnych problemów, takich jak niedobór leków przeciwdrobnoustrojowych, rozwiązania problemu zanieczyszczenia plastikiem i nowe enzymy do edycji genomu.
W ciągu ostatnich 20 lat naukowcy znacznie zwiększyli liczbę genomów mikrobiologicznych zebranych z oceanu. Jednak wykorzystanie tych informacji w biotechnologii i medycynie było trudne.
W ramach nowego badania, prowadzonego przez BGI Research w Chinach we współpracy z Uniwersytetem Shandong, Uniwersytetem Xiamen, Ocean University of China (OUC), Uniwersytetem Kopenhaskim (Dania) oraz Uniwersytetem Wschodniej Anglii (UEA) w Wielkiej Brytanii, naukowcy przeanalizowali prawie 43 200 genomów mikroorganizmów (bakterii, archeonów) z próbek morskich, ujawniając szeroki zakres różnorodności obejmujący 138 odrębnych grup.
Dostarczają nowych spostrzeżeń na temat ewolucji rozmiarów genomów i na przykład tego, jak mikroby oceaniczne równoważą posiadanie systemów CRISPR-Cas — części ich obrony immunologicznej — z genami oporności na antybiotyki. Wiele z tych genów jest aktywowanych przez antybiotyki, aby pomóc mikrobom przetrwać.
Systemy CRISRP-Cas i geny oporności na antybiotyki są również częścią układu odpornościowego bakterii. Korzystając z metod komputerowych, zespół odkrył nowy system CRISPR-Cas9 i 10 peptydów przeciwdrobnoustrojowych, kolejną ważną część układu odpornościowego różnych organizmów.
Środki przeciwdrobnoustrojowe — w tym antybiotyki, leki przeciwwirusowe, przeciwgrzybicze i przeciwpasożytnicze — to leki stosowane w zapobieganiu i leczeniu infekcji u ludzi, zwierząt i roślin. Jednak według Światowej Organizacji Zdrowia rosnąca oporność spowodowana nadużywaniem niektórych leków zagraża skutecznej profilaktyce i leczeniu coraz większej liczby infekcji, dlatego konieczne jest znalezienie nowych typów.
Publikacja wyników w czasopiśmie NaturaZespół odkrył również trzy enzymy, które mogą rozkładać powszechnie występujący plastik zanieczyszczający oceany, politereftalan etylenu (PET), stanowiący kolejny poważny problem środowiskowy i zdrowotny.
Eksperymenty laboratoryjne potwierdziły ustalenia uzyskane dzięki oceanicznej metagenomice, pokazując ich potencjalną przydatność. Główny brytyjski autor Thomas Mock, profesor mikrobiologii morskiej w School of Environmental Sciences UEA, powiedział, że praca ta przenosi dziedzinę oceanicznej metagenomiki na „następny poziom”.
„Badanie to pokazuje, w jaki sposób sekwencjonowanie metagenomiczne mikrobiomów oceanicznych na dużą skalę może pomóc nam zrozumieć różnorodność mikroorganizmów morskich i sposób, w jaki ewoluowała, a także znaleźć nowe sposoby wykorzystania tej wiedzy w biotechnologii i medycynie” – powiedział prof. Mock.
„Interakcja między mikrobami morskimi a ich środowiskiem stanowi podstawę procesów na skalę globalną, takich jak wiązanie węgla i recykling składników odżywczych. W ten sposób interakcje te przyczyniają się do zamieszkiwalności Ziemi, ponieważ oceany są największym i najważniejszym ekosystemem na planecie.
„Czynniki takie jak zasolenie, zmiany temperatury, dostępność światła i różnice ciśnień między powierzchnią a dnem morskim i między biegunami a tropikami tworzą wyjątkowe naciski selekcyjne, które wpływają na adaptację i współewolucję mikroorganizmów oceanicznych.
„Opierając się na tych spostrzeżeniach, nasze badanie wykorzystuje repozytorium genomów mikroorganizmów morskich pobranych z metagenomów jako kluczowe źródło do eksploracji genomu i bioprospekcji. Ta metoda pozwala nam odkrywać nowe narzędzia genetyczne i związki bioaktywne”.
Dane obejmują różnorodne środowiska morskie na całym świecie, rozciągające się od bieguna do bieguna i od powierzchni do najgłębszych rowów oceanicznych. Badanie znacząco zwiększa wiedzę na temat mikrobiomów morskich dzięki utworzeniu nowej publicznie dostępnej bazy danych, która obejmuje około 24 200 genomów na poziomie gatunku.
„Podczas gdy poprzednie badania dostarczyły wstępnych spostrzeżeń na temat roli systemów morskich w utrzymaniu różnorodności biologicznej, nasze badania nie tylko opierają się na tych ustaleniach, ale także wprowadzają nowe możliwości zrównoważonej eksploracji i użytkowania oceanów, co jest spóźnione, biorąc pod uwagę globalne wyzwania, z jakimi ludzkość mierzy się na naszej planecie” – powiedział prof. Mock.
„Rozwijanie tych prac poprzez eksplorację genomu mikrobiomów oceanicznych opartą na uczeniu głębokim, w połączeniu z biochemicznymi i biofizycznymi eksperymentami laboratoryjnymi, pokazuje ogromny potencjał w rozwiązywaniu globalnych problemów, takich jak niedobór środków przeciwdrobnoustrojowych i zanieczyszczenie oceanów.
„To podejście podkreśla kluczową rolę mikrobiomów morskich w poprawie dobrostanu człowieka i promowaniu zrównoważonego rozwoju środowiska”.
