近期在《Nature》發(fā)表的一篇研究論文中，表述了如何在罕見的微生物類群和環(huán)境中研究未知的酶和天然產(chǎn)物，研究突出了微生物組學(xué)在深入挖掘天然產(chǎn)物合成與酶學(xué)機(jī)制中的關(guān)鍵作用，對海洋生態(tài)、進(jìn)化、生物技術(shù)與天然產(chǎn)物等領(lǐng)域的研究具有重要意義。

期刊：Nature
影響因子：69.504發(fā)表時間：2022
樣本類型：海水
客戶單位：蘇黎世微生物學(xué)研究所

01、研究背景

天然微生物群落在系統(tǒng)發(fā)育和代謝上具有多樣性，這種多樣性的潛力還包括生態(tài)和生物相關(guān)的酶和生化化合物。然而，研究這種多樣性以確定合成這類化合物的基因途徑并將其分配給各自的宿主仍然具有挑戰(zhàn)性。目前開放海洋中微生物的生物合成潛力在很大程度上仍是未知的。

02、研究方法

通過數(shù)十年時間收集并分析了全球215個采樣地多個深度共1000多個海洋微生物宏基因組樣本，重建了約2.6萬個微生物基因組并發(fā)現(xiàn)了2700多個未被描述的新物種。首先整合了使用可培養(yǎng)和不可培養(yǎng)獲得的海洋微生物基因組，建立系統(tǒng)發(fā)育學(xué)和基因功能數(shù)據(jù)庫。通過挖掘數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)了一系列不同的生物合成基因簇 (BGCs)，其中大多數(shù)來自尚未表征的基因簇家族 (GCFs)。進(jìn)一步確定了一個未知的細(xì)菌家族。選擇基于核糖體合成和翻譯后修飾肽(RiPP)通路進(jìn)行實驗驗證。

03、研究結(jié)果

1、海洋微生物組的系統(tǒng)基因組表征

匯總了215個全球分布采樣點和幾個深層的1038個海水樣本的宏基因組數(shù)據(jù)以及背景信息。這些樣品除了提供廣泛的地理覆蓋范圍外還能夠比較海洋微生物組的不同組分（圖1）。

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研究評估了重建的基因組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)分別有55%、26%和11%的物種完全由MAGs、單一擴(kuò)增基因組(SAGs)和來自培養(yǎng)分離的基因組(REFs)組成 （圖2）。

2、全球海洋微生物組的生物合成潛力

研究繼續(xù)探索了開放海洋微生物組中生物合成潛力的豐富程度和新穎性程度。首先對所有MAGs、SAGs和 REFs 進(jìn)行預(yù)測，共獲得39055個BGCs。它們分別聚為6907個非冗余 GCF 和151個基因簇家族(GCCs)。

在 GCC 水平上，發(fā)現(xiàn)預(yù)測的RiPP和其他天然產(chǎn)物具有高度多樣性(圖3a)?？紤]到這些 GCC 代表高度多樣化的生物合成功能，總共3861個(56%)已識別的GCF與RefSeq不同（圖3b）。

3、富含 BGC 譜系的鑒定

為了補(bǔ)充對海洋微生物組生物合成潛力的調(diào)查，將海洋微生物基因組置于 GTDB13 的標(biāo)準(zhǔn)化細(xì)菌和古細(xì)菌系統(tǒng)發(fā)育樹中（圖3c）。檢測到幾個富含 BGC 的分支，如藍(lán)藻 (Synechococcus) 和變形菌 (Proteobacteria)。研究發(fā)現(xiàn)19個 MAGs 屬于未培養(yǎng)的門“Candidatus Eremiobacterota”中一個新的細(xì)菌家族，將其定義為‘Ca.Eudoremicrobiaceae’，該家族均有更大的基因組和更豐富的生物合成潛力（圖4a–c）。且在整個取樣點中普遍存在（圖3d），共占海洋微生物群落的6%（圖4c）。

?4、新酶和天然產(chǎn)物

最終研究選擇了兩個預(yù)測可產(chǎn)生新的代謝物的‘Ca.Eudoremicrobium’ RiPP（圖3b和4a–e）進(jìn)行深入研究。

第一個 RiPP 通路僅在深海物種的 ‘Ca.E.malaspinii’ 中發(fā)現(xiàn)并編碼由唯一成熟酶修飾的前體胃蛋白酶（圖5a，b）。第二個是‘Ca.Eudoremicrobium’特異性的復(fù)雜 RiPP 通路，可能編碼蛋白質(zhì)天然產(chǎn)物（圖5e）。研究表征了這些通路中首次出現(xiàn)一個 FkbMO-甲基轉(zhuǎn)移酶家族成員，是這種成熟酶引入了c骨架 N-甲基化（圖5h、i）。

04、研究結(jié)論

文章證明了微生物編碼的生物合成潛力的程度及其在全球海洋微生物組中的基因組背景。發(fā)現(xiàn)大多數(shù)系統(tǒng)發(fā)育學(xué)和功能新穎性只有通過重建 MAGs 和 SAGs 才能獲得。文中關(guān)注了一個特殊譜系“Ca.Eudoremicrobiaceae”的生物合成潛能，在其他的微生物類群中預(yù)測的許多 BGC 也可能編碼以前未確定的酶，產(chǎn)生具有生態(tài)和/或生物技術(shù)相關(guān)活性的化合物。

參考文獻(xiàn)

Biosynthetic potential of the global ocean microbiome . Nature , 2022.