微生物的魔力:施加基因调整可释放出卓越的生物塑料

微生物的魔力:施加基因调整可释放出卓越的生物塑料 添加了超高分子量 LAHB 的乳酸断裂棒(左)在断裂面上出现明显的白色变色,这是增韧材料发生塑性变形的迹象。而纯聚乳酸(右图)则不会出现这种白化现象,这是材料变脆的标志。资料来源:Sangho Koh塑料是我们文明的标志。它是一系列可塑性极强(因此而得名)、用途广泛且经久耐用的材料,其中大多数在自然界中具有持久性,因此也是一个重要的污染源。此外,许多塑料是用原油生产的,而原油是一种不可再生资源。全世界的工程师和研究人员都在寻找替代品,但目前还没有发现一种替代品既具有传统塑料的优点,又能避免传统塑料的问题。最有前途的替代品之一是聚乳酸,它可以从植物中生产,但质地较脆,降解性差。为了克服这些困难,神户大学田口诚一教授的生物工程师与可生物降解聚合物制造公司Kaneka Corporation决定将聚乳酸与另一种名为LAHB的生物塑料混合。不过,为了生产 LAHB,他们需要通过添加新基因和删除干扰基因,系统地操纵生物体的基因组,从而改造出一株能自然产生前体的细菌。工业生产需要很高的熔体张力,这可以通过材料在升温时的下垂程度来体现。添加了 LAHB 的聚乳酸(左图)比纯聚乳酸(右图)的下垂程度要小得多,这证明它是一种更好的可加工材料。资料来源:Sangho Koh现在,他们在科学杂志《ACS 可持续化学与工程》上报告说,他们可以创造出一种细菌塑料工厂,只用葡萄糖作为原料,就能生产出大量的 LAHB 链。此外,他们还表明,通过修改基因组,他们可以控制 LAHB 链的长度,从而控制塑料的性能。因此,他们能够生产出比传统方法长十倍的 LAHB 链,他们称之为"超高分子量 LAHB"。最重要的是,通过在聚乳酸中加入这种前所未有的长度的 LAHB,他们可以制造出一种材料,这种材料具有研究人员所追求的所有特性。与纯聚乳酸相比,这种高度透明的塑料具有更好的成型性和抗冲击性,而且在海水中一周内就能生物降解。田口对这一成果的评价是:"通过将聚乳酸与 LAHB 混合,聚乳酸的多种问题可以一举克服,这种改性材料有望成为一种环境可持续的生物塑料,满足物理坚固性和生物降解性这两个相互矛盾的需求。"在乳酸中加入超高分子量的 LAHB 后产生的材料是一种高度透明的塑料:在印有"PLA/LAHB"字样的纸张前,几乎看不到圆形圆盘。资料来源:Sangho Koh然而,神户大学的生物工程师们的梦想更大。他们在这项工作中使用的细菌菌株原则上可以使用二氧化碳作为原料。这样就有可能直接从温室气体中合成有用的塑料。田口解释说:"通过多个项目的协同作用,我们的目标是实现一种生物制造技术,将微生物生产和材料开发有效地联系起来。"编译自:ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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由超级蠕虫微生物群制成的"超级肠道"能吞噬问题塑料

由超级蠕虫微生物群制成的"超级肠道"能吞噬问题塑料 在这项新研究中,新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)的研究人员在此前对这些耐寒黄粉虫的微生物组进行研究的基础上,构建了一个可扩展的生物体特殊肠道环境副本,他们认为该副本能够可持续地处理大量普通塑料。虽然科学家们早就知道蠕虫对塑料的胃口,但与许多生物技术一样,问题在于如何将其应用于现实世界。这种"超级肠道"背后的团队可能已经破解了这一密码。在这个过程中,很少有蠕虫受到伤害。南洋理工大学副教授曹斌说:"一只蠕虫一生只能够消耗大约几毫克塑料,因此可以想象,如果我们要依靠它们来处理塑料垃圾,需要多少蠕虫。我们的方法将蠕虫从等式中剔除,从而消除了这种需求。我们的重点是增强蠕虫肠道中有用的微生物,并建立一个能有效分解塑料的人工'蠕虫肠道'。"祝您好胃口:菜单上有高密度聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯 新加坡南洋理工大学研究小组首先给三组蠕虫喂食了三种不同的普通塑料众所周知难以分解的高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS),为期 30 天(幸运的对照组则食用燕麦粥)。随后,科学家们从啃食塑料的蠕虫内脏中提取了微生物组,并将其放入装有合成营养物质和三种塑料的烧瓶中培养,让它们在六周内发育成人工肠道。他们发现,与对照组的蠕虫相比,实验室培养的蠕虫肠道中产生了更多的塑料降解细菌,而且每种细菌在处理特定材料时都表现出更高的效率。研究人员(左起)Sakcham Bairoliya、曹斌和刘一楠博士这项研究的第一作者刘一楠博士说:"我们的研究是首次成功尝试从喂食塑料的蠕虫肠道微生物组中培养塑料相关细菌群落。通过将肠道微生物组暴露在特定条件下,我们能够提高人工'蠕虫肠道'中塑料降解细菌的丰度,这表明我们的方法是稳定的,可以大规模复制。"虽然这只是概念验证,但研究人员认为,在更大范围内培育这种人工"超级肠道"并不存在障碍,而且这种人工"超级肠道"还可以专门用于处理特定材料。他们现在正在研究蠕虫坚韧肠道过程背后的分子生物学,希望能更容易地设计出分解塑料的细菌群落,用于商业用途。这项研究发表在《国际环境》杂志上。 ... PC版: 手机版:

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新型植物塑料释放的微塑料减少9倍

新型植物塑料释放的微塑料减少9倍 最新研究表明,植物基塑料在海洋环境中释放的微塑料远远少于传统塑料,这表明植物基塑料可能是一种更环保的选择。不过,要全面评估它们的影响,继续开展研究至关重要。最近的一项研究发现,一种新型植物基塑料材料在阳光和海水的作用下释放的微塑料比传统塑料少九倍。这项研究由朴茨茅斯大学和比利时法兰德斯海洋研究所(VLIZ)的研究人员共同完成,他们考察了两种不同类型的塑料在恶劣条件下的降解情况。一种由天然原料制成的生物基塑料材料在强烈的紫外线和海水中暴露 76 天(相当于欧洲中部地区 24 个月的日晒)后,其耐受性优于由石油衍生物制成的传统塑料。该大学机械与设计工程学院的机械工程学教授、Revolution Plastics 的成员 Hom Dhakal 说:"生物基塑料作为传统塑料的替代品正受到越来越多的关注,但人们对其在海洋环境中造成微塑料污染的潜在来源知之甚少。"Hom Dhakal 教授。资料来源:朴茨茅斯大学"了解这些材料在极端环境中的表现非常重要,这样我们就能预测它们在海洋应用中(如建造船体)的工作情况,以及它们可能对海洋生物产生的影响。通过了解不同类型塑料对环境的影响,我们可以做出更好的选择来保护我们的海洋"。根据国际塑料海洋组织(Plastic Oceans International Organization)的数据,每天每分钟都有相当于一卡车的塑料被倒入海洋。当这些塑料垃圾暴露在环境中时,就会分解成小于 5 毫米的微粒。这些微粒被称为"微塑料",已在大多数海洋生态系统中观察到,对水生生物构成严重威胁。Dhakal 教授解释说:"我们希望将不可生物降解且难以回收利用的传统工业聚合物聚丙烯与可生物降解的聚合物聚乳酸(PLA)进行对比。尽管我们的研究结果表明,聚乳酸释放的微塑料较少,这意味着使用植物性塑料而不是油性塑料似乎是减少海洋塑料污染的一个好主意,但我们需要小心,因为微塑料仍然明显在释放,这仍然是一个令人担忧的问题。"研究还发现,释放出的微小塑料碎片的大小和形状取决于塑料的类型。与植物基塑料相比,传统塑料释放出的碎片更小,纤维状的形状也更少。Dhakal教授补充说:"总的来说,我们的研究为了解不同类型塑料在环境压力下的行为提供了宝贵的见解,这对我们今后解决塑料污染问题非常重要。我们显然需要继续开展研究并采取积极措施,以减轻微塑料对海洋生态系统的影响。"编译来源:ScitechDailyDOI: 10.1016/j.ecoenv.2024.115981 ... PC版: 手机版:

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新型生物塑料吸管在海洋中的降解速度比纸还快

新型生物塑料吸管在海洋中的降解速度比纸还快 世界卫生组织国际研究所(WHOI)的一项研究表明,一些可生物降解吸管在海洋环境中可在 16 周内降解 50%,是传统塑料的可持续替代品,有助于减少海洋污染。吸管是海岸线上最常见的塑料垃圾之一。随着塑料产品的生产、消费和处理不断增加,科学家和制造商们正在开发替代材料,这些材料既能发挥同样的功效,又不会加剧持续的环境塑料污染。但并非所有塑料都是一样的不同的制造商有不同的基础聚合物配方(如聚乳酸(PLA)和聚丙烯(PP))和化学添加剂。这意味着不同的塑料配方在环境中的表现不同,在海洋中的分解速度也不同。伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)的科学家们一直在努力量化各种塑料制品的环境寿命,以回答一个悬而未决的问题:吸管在海洋中的寿命有多长?吸管是最常见的海洋垃圾来源之一。研究人员说,我们对塑料在海洋中的持续时间缺乏确切的了解,但科学支持放弃使用这种材料。图片来源:Bryan James/©伍兹霍尔海洋研究所吸管降解的测试和结果在发表于《美国化学学会可持续化学与工程》(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)的一篇新论文中,世界卫生组织(WHOI)的科学家科林-沃德(Collin Ward)、布莱恩-詹姆斯(Bryan James)、克里斯-雷迪(Chris Reddy)和孙彦辰(Yanchen Sun)将不同类型的塑料和纸质饮管进行了对比,看看哪种塑料在近海降解最快。他们与生物塑料制造公司伊士曼(Eastman)的科学家合作,后者为这项研究提供了资金、共同作者和材料。沃德说:"我们对塑料在海洋中的寿命缺乏确切的了解,因此我们一直在设计测量这些材料降解速度的方法。事实证明,在这种情况下,有一些生物塑料吸管实际上降解得相当快,这是个好消息。"世卫组织环境系统实验室对不同类型材料制成的吸管进行了为期16周的降解观察。吸管放置的水箱中不断有来自玛莎葡萄园湾的海水流入。图片来源:Rachel Mann/©伍兹霍尔海洋研究所生物可降解吸管的发展前景他们采用的方法是将八种不同类型的吸管悬浮在马萨诸塞州玛莎葡萄园湾持续流动的海水中。这种方法还控制了温度、光照和其他环境变量,以模拟自然海洋环境。在 16 周的时间里,对所有吸管的降解迹象进行了监测,并对吸管上生长的微生物群落进行了特征描述。詹姆斯说:"我的兴趣一直是了解塑料的命运、持久性和毒性,以及我们如何利用这些信息设计出对人类和地球更有益的下一代材料。我们拥有独特的能力,可以在环境系统实验室的水箱中将海洋环境带到陆地上。它为我们提供了一个非常受控的天然海水环境。"他们测试了由CDA、聚羟基烷酸酯(PHA)、纸、聚乳酸和聚丙烯制成的吸管。在吸管浸没在水箱中的几周内,CDA、PHA 和纸吸管降解了多达 50%,预计在近海的环境寿命为 10-20 个月。聚乳酸和聚丙烯吸管则没有明显的降解迹象。吸管材料对环境的影响随后,科学家们比较了两种由 CDA 制成的吸管一种是固体,另一种是泡沫,均由伊士曼公司提供。用泡沫 CDA 制成的吸管是一个原型,目的是观察增加表面积是否会加速分解。他们发现,泡沫吸管的降解速度比固体吸管快 184%,因此预计的环境寿命比纸质吸管短。詹姆斯说:"这种泡沫吸管的独特之处在于,它的预期使用寿命比纸质吸管短,但却保留了塑料吸管或生物塑料吸管的特性,"作者说,与纸质吸管相比,泡沫吸管有望成为传统塑料吸管的替代品,因为纸质吸管在海洋中会迅速降解,但却会因潮湿而影响用户体验。工业与环境视角"这项研究为吸管制造商在选择吸管材料时提供了明智、透明的数据,因而具有极大的价值。"伊士曼企业创新副总裁杰夫-卡贝克(Jeff Carbeck)说:"更重要的是,它让我们确信,基于CDA的吸管不会加剧持续的塑料污染,同时也表明吸管制造商致力于提供可持续产品,降低对海洋生物的风险。"塑料带来的持久挑战科学支持摒弃传统塑料材料。塑料污染会对人类和生态系统造成危害,塑料工业也是气候变化的主要因素之一,其整个生命周期内的温室气体排放量约占总排放量的 4%至 5%。在过去的 50 年里,塑料垃圾在全球海洋和海洋食物链中变得无处不在,因此,我们必须找到可持续利用、有助于从线性经济向循环经济转变、并能在意外泄漏到环境中时分解的新材料。"虽然有些人力主摒弃塑料,但现实情况是塑料将继续存在。我们正在努力接受这样一个事实,即这些材料将被消费者使用,然后我们可以与公司合作,尽量减少这些材料泄漏到环境中造成的影响,"Ward 说。合作促进可持续解决方案"我们认识到测试、验证和了解基于CDA的产品的海洋降解的重要性,但缺乏必要的资源,"Carbeck说。"我们知道世卫组织海洋研究所拥有专业知识和设施,因此我们参与了应对这一挑战的合作努力。这种伙伴关系展示了产学合作在推进共同目标和产生积极影响方面的力量。"研究小组还发现,降解吸管上的微生物群落对每种吸管材料来说都是独一无二的。然而,尽管化学结构大相径庭,两种非降解吸管上的微生物群落却相同。这进一步证明,本地微生物正在降解可生物降解的吸管,而不可生物降解的吸管可能会在海洋中持续存在。沃德说:"我们对塑料污染对海洋健康的影响的认识还很不确定,这主要是因为我们不知道这些材料的长期命运。他和研究团队的其他成员计划继续测量塑料材料的降解性,希望能为塑料行业的下一步发展提供指导。与材料制造商合作有很多优势,包括可以使用分析设施,了解和接触他们的材料,而这些是在自己的孤岛上工作所无法获得的。"我们试图优化他们的产品,使其在环境中降解,最终造福地球。"主要收获 并非所有塑料制品都是一样的,有些塑料制品在海洋中的寿命比其他塑料制品长。世卫组织工业研究所的科学家们多年来一直致力于量化各种塑料制品的环境寿命,以确定哪些塑料制品在海洋中的寿命最短,哪些最长。为了确定哪些塑料制品会在海洋中持续存在,研究小组在重现自然海洋环境的大型水箱中对不同产品进行了测试。他们首先关注的是饮用水吸管,因为吸管是海滩清理中发现的最常见的塑料垃圾形式之一。作者发现,由二醋酸纤维素(CDA)、聚羟基烷酸酯(PHA)和纸制成的吸管在 16 周内降解了多达 50%。它们都有独特的微生物群落,有助于分解材料。伊士曼公司用发泡 CDA 制作的原型吸管比固体吸管降解得更快,这意味着改变吸管的表面积可以加快降解过程。科学支持摒弃持久性塑料,因此,确保新材料在泄漏到环境中时能够分解,并且不会进一步污染海洋就变得更加重要。编译来源:ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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研究发现受感染的微生物会携带产生甲烷的新基因

研究发现受感染的微生物会携带产生甲烷的新基因 研究发现,微生物一旦受到感染,就会携带产生甲烷的新基因。最近的一项研究揭示,感染微生物的病毒在甲烷(一种强效温室气体)的环境循环中发挥着关键作用,从而加剧了气候变化。通过分析从各种湖泊到牛胃内部等15种不同栖息地采集的近1000组元基因组DNA数据,研究人员发现,微生物病毒携带有控制甲烷过程的特殊遗传元素,即辅助代谢基因(AMGs)。根据生物栖息地的不同,这些基因的数量也会不同,这表明病毒对环境的潜在影响也因其栖息地而异。这项研究的第一作者、俄亥俄州立大学伯德极地与气候研究中心副研究员钟志平说,这一发现为更好地理解甲烷如何在不同生态系统中相互作用和移动提供了重要依据。"了解微生物如何推动甲烷过程非常重要,"钟说,他也是一名微生物学家,研究微生物如何在不同环境中进化。"微生物对甲烷代谢过程的贡献已经研究了几十年,但对病毒领域的研究在很大程度上仍然不足,我们希望了解更多"。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。病毒在温室气体排放中的作用病毒帮助促进了地球上所有的生态、生物地球化学和进化过程,但科学家们直到最近才开始探索它们与气候变化的关系。例如,甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体排放源,但主要是由被称为古细菌的单细胞生物产生的。这项研究的共同作者、俄亥俄州立大学微生物组科学中心微生物学教授马修-沙利文(Matthew Sullivan)说:"病毒是地球上最丰富的生物实体。在这里,我们在一长串病毒编码的代谢基因中增加了甲烷循环基因,从而扩大了我们对其影响的了解。我们的团队试图回答病毒在感染过程中实际操纵了多少'微生物代谢'"。尽管微生物在加速大气变暖方面发挥的重要作用现已得到广泛认可,但人们对感染这些微生物的病毒所编码的甲烷代谢相关基因如何影响它们的甲烷产生却知之甚少,钟南山说。为了解开这个谜团,钟志平和他的同事们花了近十年的时间从独特的微生物库中收集和分析微生物和病毒 DNA 样本。研究小组选择的最重要的研究地点之一是克罗地亚自然保护区内的弗拉纳湖。在富含甲烷的湖泊沉积物中,研究人员发现了大量影响甲烷产生和氧化的微生物基因。此外,他们还发现了多种病毒群落,并发现了 13 种有助于调节宿主新陈代谢的 AMG。尽管如此,没有任何证据表明这些病毒本身直接编码甲烷代谢基因,这表明病毒对甲烷循环的潜在影响因其栖息地而异,钟说。牲畜和环境影响总之,研究显示,甲烷代谢AMG更有可能在宿主相关环境(如牛胃内部)中发现,而在环境栖息地(如湖泊沉积物)中发现的这些基因则较少。由于奶牛和其他牲畜也造成了全球约 40% 的甲烷排放,他们的研究表明,病毒、生物和整个环境之间的复杂关系可能比科学家们曾经想象的更加错综复杂。钟说:"这些发现表明,病毒对全球的影响被低估了,值得引起更多关注。"虽然目前还不清楚人类活动是否影响了这些病毒的进化,但研究小组希望从这项工作中获得的新见解能让人们进一步认识到传染源对地球上所有生命的影响力。尽管如此,要继续深入了解这些病毒的内在机制,还需要进一步的实验来进一步了解它们对地球甲烷循环的贡献,钟南山说,尤其是当科学家们在研究如何减少微生物驱动的甲烷排放时。他说:"这项工作是掌握气候变化的病毒影响的第一步。我们还有很多东西要学。"编译自:ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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不会产生微塑料的藻基塑料已通过测试

不会产生微塑料的藻基塑料已通过测试 在一项新的研究中,加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)和材料科学公司 Algenesis 的研究人员从另一个角度解决了这一问题,他们开发出了一种植物基聚合物,这种聚合物即使被研磨成微塑料,也能在 7 个月内完成生物降解。加州大学圣迭戈分校化学与生物化学教授、Algenesis 公司联合创始人、该研究的作者之一 Michael Burkart 说:"我们刚刚开始了解微塑料的影响。我们正试图为已经存在的材料找到替代品,并确保这些替代品在使用寿命结束后能够生物降解,而不是在环境中聚集。这并不容易。"生物降解是微生物将聚合物分解成更简单分子的过程。它要求聚合物含有微生物产生的塑料降解酶可以接触到的化学键,并且这些微生物可以消耗聚合物分解释放出的分子。注意:所有塑料都是聚合物,但并非所有聚合物都是塑料。化学与生物化学教授、Algenesis 联合创始人兼研究报告作者罗伯特-波默罗伊(Robert Pomeroy)说:"大约六年前,当我们首次创造出这种藻基聚合物时,我们的初衷一直是希望它能够完全生物降解。我们有大量数据表明,我们的材料正在堆肥中消失,但这是我们第一次在微粒水平上对其进行测量。"多年前,波默罗伊、伯卡尔特和分子生物学教授斯蒂芬-梅菲尔德(Stephen Mayfield)的一个将藻类转化为燃料的项目演变成了开发高性能生物可降解聚氨酯的探索。鉴于塑料来自石油,而石油来自藻类,研究人员开始直接用藻油制造塑料。由此产生的藻类聚合物被称为 TPU-FC1,用于制造世界上第一双可生物降解的鞋子,Pomeroy 甚至写了一本关于他的藻基材料的书。在当前的研究中,研究人员使用装有 80 号砂纸的砂带机来生成包括 TPU-FC1 在内的各种材料的微塑料。每种材料都使用了不同的砂带机,以防止交叉污染。他们使用不同的方法来检测微生物是否消化了微塑料。首先,在与家庭堆肥相同的条件下,将微塑料放入天然含有微生物的堆肥中。90 天后,堆肥样本的检查结果显示,TPU-FC1 微颗粒减少了 68%,而 EVA 微颗粒的数量几乎没有变化。200 天后,TPU-FC1 样品中的微塑料粒子数比开始时总体减少了 97%(EVA 粒子数没有变化)。石油基(EVA)和植物基(TPU-FC1)微塑料的粒子计数显示,随着时间的推移,EVA 几乎没有生物降解,而 TPU 到 200 天时已基本消失。图/SC 圣地亚哥研究人员使用一组相同的微塑料和堆肥样本来跟踪二氧化碳 (CO2) 含量,并使用呼吸计进行测量。当微生物分解堆肥时,它们会释放出二氧化碳气体。纯纤维素样品作为内部对照,用于监测背景"二氧化碳演化",这是堆肥中微生物活性的一种测量方法。纤维素在 45 天内达到 75% 的二氧化碳进化量,表明堆肥具有足够的活性。与非生物降解材料的预期结果一样,EVA 微颗粒在 200 天的实验中没有出现二氧化碳进化现象。TPU-FC1 微塑料的生物降解效果显著,在 200 天的时间点上,二氧化碳进化达到 76%。因此,呼吸测定法证实了 TPU-FC1 的生物可降解性,并证明生物降解的结果之一是将微塑料中的碳转化为二氧化碳。由于塑料不溶于水,会漂浮在水面上,很容易被舀出水面,因此研究小组接下来将微塑料加入水中进行测试。每隔 90 天和 200 天,几乎 100%的 EVA 微型塑料都被回收,这意味着它们都没有发生生物降解。相比之下,90 天后,只有 32% 的 TPU-FC1 微颗粒被回收,200 天后,只有 3% 的微颗粒被回收,这表明 97% 的微颗粒已经生物降解。对藻类塑料进行的化学分析检测到了用于制造塑料的单体,这表明聚合物已被分解为最初的植物材料。进一步分析发现,细菌能够将 TPU-FC1 用作碳源,并证实它们能够将其分解。该研究的另一位作者斯蒂芬-梅菲尔德(Stephen Mayfield)说:"这种材料是第一种在使用过程中不会产生微塑料的塑料。这不仅仅是针对产品生命周期末端和我们拥挤的垃圾填埋场的可持续解决方案。这实际上是一种不会让我们生病的塑料。"使用传统制造设备制造生物可降解塑料具有挑战性,但 Algenesis 公司正在取得进展。该公司已与特瑞堡(Trelleborg)合作生产涂层织物,并与犀牛盾(RhinoShield)合作生产手机保护壳。伯卡特说:"当我们开始这项工作时,有人告诉我们这是不可能的。现在我们看到了不同的现实。还有很多工作要做,但我们希望给人们带来希望。这是可能的。"这项研究发表在《科学报告》杂志上。 ... PC版: 手机版:

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研究人员对3.175亿个海洋微生物的基因信息进行了分析和编目

研究人员对3.175亿个海洋微生物的基因信息进行了分析和编目 海洋微生物组是一个巨大的、高度多样化的基因库,具有复杂的新陈代谢能力。全球海洋基因组已被证明是科学的重要资源,尤其是在健康领域。例如,最初从水母中分离出来的绿色荧光蛋白现在已被广泛应用于医学成像诊断;生活在热液喷口周围的细菌是用于检测 SARS-CoV-2 的 PCR 测试中聚合酶的来源。但是,还有更多的基因有待发现。元基因组学是对直接取自环境或临床样本的遗传物质的研究,可以将基因功能与基因所属的生物体相匹配。分析数百万海洋微生物的基因构成是一项艰巨的任务。值得庆幸的是,人工智能的兴起和计算能力的提高使得大规模的元基因组分析成为可能。现在,阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的研究人员与西班牙国家研究委员会(CSIC)海洋科学研究所合作,对居住在海洋中的微生物的大量基因信息进行了分析和编目。研究人员利用 2021 年发明的 KAUST 元基因组分析平台 (KMAP) 分析了 2102 份海洋样本。大部分(78.5%)样本采集于上层海洋(0 至 200 米/656 英尺);7.2%采集于中层海洋(200 米/656 英尺至 1000 米/3281 英尺);10.2%采集于暗层海洋,深度低于 1000 米/3281 英尺。他们的DNA测序分析确定了3.175亿个独特的基因簇,并利用这些基因簇创建了KMAP全球海洋基因目录1.0,这是世界上最大的海洋微生物开源目录,可将微生物与基因功能、地理位置和栖息地类型相匹配。除了增进我们对海洋微生物群及其新陈代谢能力的了解外,所提供的信息还能帮助科学家追踪全球变暖、污染和整体海洋健康状况,并为探索新型基因在医药、能源、食品和其他行业的潜在用途提供了工具。该研究的通讯作者卡洛斯-杜阿尔特(Carlos Duarte)说:"科学家可以远程访问目录,研究不同的海洋生态系统是如何运作的,跟踪污染和全球变暖的影响,寻找生物技术应用,如新型抗生素或分解塑料的新方法。我们目前正在经历的人工智能加速发展很可能会在识别我们正在发布的海量目录中所包含的生物技术相关基因方面发挥重要作用"。有趣的是,在中深海区发现的独特基因簇中,真菌占了 50%以上,这凸显了真菌对微生物多样性的贡献。此外,95.9% 的样本来自远洋区,即远离海岸的开放自由水域,4.1% 的样本来自海底区,即洋底。底栖微生物在海洋生物地球化学循环中起着举足轻重的作用,生物圈中生物(生物)和非生物(非生物)之间的相互作用促进了碳、氮和硫等重要元素的更替。收集有关这些微生物的信息为了解海洋生态系统如何适应因自然和人为原因而不断变化的环境提供了宝贵的信息。"我们的分析强调了继续对海洋进行采样的必要性,重点是那些研究不足的区域,如深海和洋底,"该研究的主要作者Elisa Liaolo说。虽然 3.175 亿个基因簇听起来似乎很多,但研究人员知道,他们仍有很多工作要做。杜阿尔特说:"海洋基因目录1.0中记录的3.17亿个基因组虽然令人印象深刻,但很可能只是海洋生命漫长进化史所积累的庞大功能库的冰山一角。进一步的项目侧重于对海洋中未被充分研究的栖息地进行取样和大规模测序,其中包括研究中未包括的珊瑚和海草等生物,这些栖息地中已知有大量微生物物种,这些项目将可能揭示出比这个初始基因目录中包含的基因数量多得多的基因。"这项研究发表在《科学前沿》杂志上。 ... PC版: 手机版:

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