Onderzoekers hebben 317 miljoen unieke genclusters ontdekt die behoren tot mariene micro-organismen. De bibliotheek is ook 's werelds grootste open source genencatalogus, maar vertegenwoordigt slechts het "topje van de ijsberg" van de mariene metagenomica en biedt hulpmiddelen om te onderzoeken hoe deze genetische bronnen kunnen worden gebruikt in de geneeskunde, energie, voedsel en andere industrieën.
Het mariene microbioom is een grote, zeer diverse genenpool met complexe metabolische capaciteiten. Het mondiale oceaangenoom is een belangrijke hulpbron gebleken voor de wetenschap, vooral op het gebied van de gezondheid. Groen fluorescerend eiwit, oorspronkelijk geïsoleerd uit kwallen, wordt nu bijvoorbeeld veel gebruikt in de diagnostiek van medische beeldvorming; bacteriën die rond hydrothermale ventilatieopeningen leven, zijn de bron van het polymerase in PCR-tests die worden gebruikt om SARS-CoV-2 te detecteren. Er zijn echter nog veel meer genen die ontdekt moeten worden.
Metagenomics is de studie van genetisch materiaal dat rechtstreeks uit omgevings- of klinische monsters wordt genomen om de genfunctie af te stemmen op het organisme waartoe het gen behoort. Het analyseren van de genetische samenstelling van miljoenen mariene micro-organismen is een enorme klus. Gelukkig hebben de opkomst van kunstmatige intelligentie en verbeteringen in de rekenkracht grootschalige metagenomische analyses mogelijk gemaakt.
Nu hebben onderzoekers van de King Abdullah Universiteit voor Wetenschap en Technologie (KAUST), in samenwerking met het Instituut voor Mariene Wetenschappen van de Spaanse Nationale Onderzoeksraad (CSIC), een schat aan genetische informatie over micro-organismen die in de oceaan leven geanalyseerd en gecatalogiseerd.
De onderzoekers analyseerden 2.102 mariene monsters met behulp van het KAUST Metagenomic Analysis Platform (KMAP), uitgevonden in 2021. De meeste (78,5%) monsters werden verzameld in de bovenste oceaan (0 tot 200 meter/656 voet); 7,2% werd verzameld in de middenoceaan (200 meter/656 voet tot 1000 meter/3281 voet); 10,2% werd verzameld in de donkere oceaan, op diepten onder de 1000 meter/3281 voet.
Hun DNA-sequentieanalyse identificeerde 317,5 miljoen unieke genenclusters en gebruikte deze om de KMAP Global Marine Gene Catalog 1.0 te creëren, 's werelds grootste open source catalogus van mariene micro-organismen die micro-organismen matcht met genfunctie, geografische locatie en habitattype. Naast het verbeteren van ons begrip van de mariene microbiota en hun metabolische capaciteiten, kan de verstrekte informatie wetenschappers helpen de opwarming van de aarde, de vervuiling en de algehele gezondheid van de oceanen in kaart te brengen, en instrumenten aanreiken om het potentiële gebruik van nieuwe genen in de geneeskunde, energie, voedsel en andere industrieën te onderzoeken.
Carlos Duarte, corresponderend auteur van de studie, zei: "Wetenschappers kunnen op afstand toegang krijgen tot de catalogus om te bestuderen hoe verschillende mariene ecosystemen functioneren, de effecten van vervuiling en de opwarming van de aarde te volgen, en te zoeken naar biotechtoepassingen, zoals nieuwe antibiotica of nieuwe manieren om plastic af te breken. De versnelling van de kunstmatige intelligentie die we momenteel ervaren, zal waarschijnlijk een belangrijke rol spelen bij het identificeren van biotechnologie-gerelateerde genen die zijn opgenomen in de enorme catalogi die we publiceren."
Interessant genoeg waren schimmels verantwoordelijk voor meer dan 50% van de unieke genclusters die in de mesopelagische zone worden aangetroffen, wat de bijdrage van schimmels aan de microbiële diversiteit benadrukt. Bovendien kwam 95,9% van de monsters uit het pelagische gebied, dat wil zeggen het open en vrije water ver weg van de kust, en 4,1% van de monsters kwam uit het onderzeese gebied, dat wil zeggen de oceaanbodem. Benthische micro-organismen spelen een cruciale rol in mariene biogeochemische cycli, waarbij interacties tussen levende (levende) en abiotische (niet-levende) organismen in de biosfeer de vervanging van belangrijke elementen zoals koolstof, stikstof en zwavel bevorderen. Het verzamelen van informatie over deze micro-organismen levert waardevolle inzichten op in hoe mariene ecosystemen zich aanpassen aan veranderende omgevingen als gevolg van natuurlijke en antropogene oorzaken.
"Onze analyse benadrukt de noodzaak om door te gaan met het bemonsteren van de oceaan, waarbij we ons concentreren op onderbelichte regio's zoals de diepzee en de oceaanbodem", zegt Elisa Liaolo, hoofdauteur van het onderzoek.
Hoewel 317,5 miljoen genenclusters misschien veel lijkt, weten onderzoekers dat er nog veel werk te doen is.
"De 317 miljoen genomen die zijn vastgelegd in de Marine Genome Catalog 1.0 zijn weliswaar indrukwekkend, maar vormen waarschijnlijk slechts het topje van de ijsberg van de enorme functionele bibliotheek die is verzameld gedurende de lange evolutionaire geschiedenis van het zeeleven", aldus Duarte. "Verdere projecten gericht op bemonstering en grootschalige sequencing van onderbelichte habitats in de oceaan, inclusief organismen zoals koralen en zeegras die niet in de studie zijn opgenomen, waarvan bekend is dat ze een groot aantal microbiële soorten herbergen, zullen waarschijnlijk veel meer genen onthullen dan zijn opgenomen in deze initiële genencatalogus. "
Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Science Frontiers.