Nature |HiFi宏基因组助力挖掘海洋“新”微生物组

近期在《Nature》发表的一篇研究论文中，表述了如何在罕见的微生物类群和环境中研究未知的酶和天然产物，研究突出了微生物组学在深入挖掘天然产物合成与酶学机制中的关键作用，对海洋生态、进化、生物技术与天然产物等领域的研究具有重要意义。

01、研究背景

天然微生物群落在系统发育和代谢上具有多样性，这种多样性的潜力还包括生态和生物相关的酶和生化化合物。然而，研究这种多样性以确定合成这类化合物的基因途径并将其分配给各自的宿主仍然具有挑战性。目前开放海洋中微生物的生物合成潜力在很大程度上仍是未知的。

02、研究方法

通过数十年时间收集并分析了全球215个采样地多个深度共1000多个海洋微生物宏基因组样本，重建了约2.6万个微生物基因组并发现了2700多个未被描述的新物种。

首先整合了使用可培养和不可培养获得的海洋微生物基因组，建立系统发育学和基因功能数据库。通过挖掘数据库，发现了一系列不同的生物合成基因簇 (BGCs)，其中大多数来自尚未表征的基因簇家族 (GCFs)。进一步确定了一个未知的细菌家族。选择基于核糖体合成和翻译后修饰肽(RiPP)通路进行实验验证。

图 分析流程

03、研究结果

1、海洋微生物组的系统基因组表征

汇总了215个全球分布采样点和几个深层的1038个海水样本的宏基因组数据以及背景信息。这些样品除了提供广泛的地理覆盖范围外还能够比较海洋微生物组的不同组分（图1）。

图1 相对于其他海洋 MAGs 数据集的质量改善，丰度相关性对 MAGs 恢复和质量的影响，可移动遗传元件的恢复和基因组嵌合体的评估

研究评估了重建的基因组数据，发现分别有55%、26%和11%的物种完全由MAGs、单一扩增基因组(SAGs)和来自培养分离的基因组(REFs)组成 （图2）。

图2 在全球范围内重建 MAGs 填补了海洋系统发育学多样性的空白

 2、全球海洋微生物组的生物合成潜力

研究继续探索了开放海洋微生物组中生物合成潜力的丰富程度和新颖性程度。首先对所有MAGs、SAGs和 REFs 进行预测，共获得39055个BGCs。它们分别聚为6907个非冗余 GCF 和151个基因簇家族(GCCs)。

在 GCC 水平上，发现预测的RiPP和其他天然产物具有高度多样性(图3a)。考虑到这些 GCC 代表高度多样化的生物合成功能，总共3861个(56%)已识别的GCF与RefSeq不同（图3b）。

图3 海洋微生物组生物合成潜力的新颖性和系统发育学分布

 3、富含 BGC 谱系的鉴定

为了补充对海洋微生物组生物合成潜力的调查，将海洋微生物基因组置于 GTDB13 的标准化细菌和古细菌系统发育树中（图3c）。检测到几个富含 BGC 的分支，如蓝藻 (Synechococcus) 和变形菌 (Proteobacteria)。研究发现19个 MAGs 属于未培养的门“Candidatus Eremiobacterota”中一个新的细菌家族，将其定义为‘Ca.Eudoremicrobiaceae’，该家族均有更大的基因组和更丰富的生物合成潜力（图4a–c）。且在整个取样点中普遍存在（图3d），共占海洋微生物群落的6%（图4c）。

图4 富含 BGC 家族的‘Ca.Eudoremicrobiaceae’ 系统发育、生物合成潜力和分布

 4、新酶和天然产物

最终研究选择了两个预测可产生新的代谢物的‘Ca.Eudoremicrobium’ RiPP（图3b和4a–e）进行深入研究。

第一个 RiPP 通路仅在深海物种的 ‘Ca.E.malaspinii’ 中发现并编码由唯一成熟酶修饰的前体胃蛋白酶（图5a，b）。第二个是‘Ca.Eudoremicrobium’特异性的复杂 RiPP 通路，可能编码蛋白质天然产物（图5e）。研究表征了这些通路中首次出现一个 FkbMO-甲基转移酶家族成员，是这种成熟酶引入了c骨架 N-甲基化（图5h、i）。

图5 ‘Ca.Eudoremicrobiaceae’属是特殊的酶学和天然产物结构的来源

04、研究结论

文章证明了微生物编码的生物合成潜力的程度及其在全球海洋微生物组中的基因组背景。发现大多数系统发育学和功能新颖性只有通过重建 MAGs 和 SAGs 才能获得。文中关注了一个特殊谱系“Ca.Eudoremicrobiaceae”的生物合成潜能，在其他的微生物类群中预测的许多 BGC 也可能编码以前未确定的酶，产生具有生态和/或生物技术相关活性的化合物。

参考文献

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