Forscher haben 317 Millionen einzigartige Gencluster mariner Mikroorganismen entdeckt. Die Bibliothek ist auch der weltweit größte Open-Source-Genkatalog, stellt jedoch nur die „Spitze des Eisbergs“ der marinen Metagenomik dar und bietet Werkzeuge zur Erforschung, wie diese genetischen Ressourcen in der Medizin, Energie, Ernährung und anderen Industrien genutzt werden können.
Das marine Mikrobiom ist ein großer, äußerst vielfältiger Genpool mit komplexen Stoffwechselfunktionen. Das globale Ozeangenom hat sich als wichtige Ressource für die Wissenschaft erwiesen, insbesondere im Gesundheitsbereich. Beispielsweise wird grün fluoreszierendes Protein, das ursprünglich aus Quallen isoliert wurde, heute häufig in der medizinischen Bilddiagnostik eingesetzt; Bakterien, die in der Nähe von Hydrothermalquellen leben, sind die Quelle der Polymerase in PCR-Tests zum Nachweis von SARS-CoV-2. Es gibt jedoch noch viele weitere Gene, die noch entdeckt werden müssen.
Metagenomik ist die Untersuchung von genetischem Material, das direkt aus Umwelt- oder klinischen Proben entnommen wird, um die Genfunktion an den Organismus anzupassen, zu dem das Gen gehört. Die Analyse der genetischen Ausstattung von Millionen mariner Mikroorganismen ist eine gewaltige Aufgabe. Glücklicherweise haben der Aufstieg der künstlichen Intelligenz und Verbesserungen der Rechenleistung groß angelegte metagenomische Analysen ermöglicht.
Jetzt haben Forscher der König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie (KAUST) in Zusammenarbeit mit dem Institut für Meereswissenschaften des spanischen Nationalen Forschungsrats (CSIC) eine Fülle genetischer Informationen über im Ozean lebende Mikroorganismen analysiert und katalogisiert.
Die Forscher analysierten 2.102 Meeresproben mit der 2021 erfundenen KAUST Metagenomic Analysis Platform (KMAP). Die meisten (78,5 %) Proben wurden im oberen Ozean (0 bis 200 Meter/656 Fuß) gesammelt; 7,2 % wurden im mittleren Ozean (200 Meter/656 Fuß bis 1000 Meter/3281 Fuß) gesammelt; 10,2 % wurden im dunklen Ozean in Tiefen unter 1000 Metern/3281 Fuß gesammelt.
Ihre DNA-Sequenzierungsanalyse identifizierte 317,5 Millionen einzigartige Gencluster und erstellte daraus den KMAP Global Marine Gene Catalog 1.0, den weltweit größten Open-Source-Katalog mariner Mikroorganismen, der Mikroorganismen nach Genfunktion, geografischer Lage und Lebensraumtyp ordnet. Die bereitgestellten Informationen verbessern nicht nur unser Verständnis der marinen Mikrobiota und ihrer Stoffwechselfähigkeiten, sondern können Wissenschaftlern auch dabei helfen, die globale Erwärmung, die Umweltverschmutzung und die allgemeine Gesundheit der Ozeane zu verfolgen, und Werkzeuge zur Erforschung des potenziellen Einsatzes neuartiger Gene in der Medizin, Energie, Lebensmittelindustrie und anderen Branchen bereitstellen.
Carlos Duarte, korrespondierender Autor der Studie, sagte: „Wissenschaftler können aus der Ferne auf den Katalog zugreifen, um zu untersuchen, wie verschiedene Meeresökosysteme funktionieren, die Auswirkungen von Umweltverschmutzung und globaler Erwärmung zu verfolgen und nach biotechnologischen Anwendungen wie neuen Antibiotika oder neuen Wegen zum Abbau von Kunststoffen zu suchen. Die Beschleunigung der künstlichen Intelligenz, die wir derzeit erleben, wird wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Identifizierung biotechnologiebezogener Gene spielen, die in den umfangreichen Katalogen, die wir veröffentlichen, enthalten sind.“
Interessanterweise machten Pilze mehr als 50 % der einzigartigen Gencluster aus, die in der mesopelagischen Zone gefunden wurden, was den Beitrag von Pilzen zur mikrobiellen Vielfalt unterstreicht. Darüber hinaus stammten 95,9 % der Proben aus dem pelagischen Bereich, also dem offenen und freien Wasser abseits der Küste, und 4,1 % der Proben stammten aus dem Unterwasserbereich, also dem Meeresboden. Benthische Mikroorganismen spielen eine zentrale Rolle in biogeochemischen Kreisläufen im Meer, wobei Wechselwirkungen zwischen lebenden (lebenden) und abiotischen (nicht lebenden) Organismen in der Biosphäre den Ersatz wichtiger Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel fördern. Das Sammeln von Informationen über diese Mikroorganismen liefert wertvolle Erkenntnisse darüber, wie sich Meeresökosysteme aufgrund natürlicher und anthropogener Ursachen an veränderte Umgebungen anpassen.
„Unsere Analyse unterstreicht die Notwendigkeit, weiterhin Meeresproben zu beproben und sich dabei auf wenig erforschte Regionen wie die Tiefsee und den Meeresboden zu konzentrieren“, sagte Elisa Liaolo, Hauptautorin der Studie.
Auch wenn 317,5 Millionen Gencluster viel klingen, wissen die Forscher, dass noch viel Arbeit vor ihnen liegt.
„Die 317 Millionen Genome, die im Marine Genome Catalogue 1.0 erfasst sind, sind zwar beeindruckend, aber wahrscheinlich nur die Spitze des Eisbergs der riesigen funktionellen Bibliothek, die im Laufe der langen Evolutionsgeschichte des Meereslebens angesammelt wurde“, sagte Duarte. „Weitere Projekte, die sich auf die Probenahme und groß angelegte Sequenzierung wenig untersuchter Lebensräume im Ozean konzentrieren, einschließlich Organismen wie Korallen und Seegras, die nicht in die Studie einbezogen wurden und von denen bekannt ist, dass sie eine große Anzahl mikrobieller Arten beherbergen, werden wahrscheinlich viel mehr Gene offenbaren, als in diesem ersten Genkatalog enthalten sind.“
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Science Frontiers veröffentlicht.