Den största studien någonsin av havens DNA skapar en omfattande katalog över marina mikrober

KMAP Ocean Gene Catalog 1.0 är den hittills största databasen över marina mikrober. Kredit: KMAP Ocean Gene Catalog 1.0 är den hittills största databasen över marina mikrober
KMAP Ocean Gene Catalog 1.0 är den hittills största databasen över marina mikrober. Kredit: KMAP Ocean Gene Catalog 1.0 är den hittills största databasen över marina mikrober

Havet är världens största livsmiljö, men en stor del av dess biologiska mångfald är fortfarande okänd. En studie som publicerats i Frontiers in Science markerar ett betydande genombrott och rapporterar den största och mest omfattande databasen över marina mikrober hittills – matchad med biologisk funktion, plats och livsmiljötyp.

”KMAP Global Ocean Gene Catalog 1.0 är ett steg mot att förstå havets fulla mångfald och innehåller mer än 317 miljoner gengrupper från marina organismer runt om i världen”, säger huvudförfattaren Elisa Laiolo från King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) i Saudiarabien. ”Katalogen fokuserar på marina mikrober, som i hög grad påverkar människors liv genom sitt inflytande på havets hälsa och jordens klimat.”

”Katalogen är fritt tillgänglig via KAUST Metagenomic Analysis Platform (KMAP)”, tillade studiens huvudförfattare, professor Carlos Duarte, en fakultetsmedlem vid KAUST. ”Forskare kan få fjärråtkomst till katalogen för att undersöka hur olika ekosystem i havet fungerar, spåra effekterna av föroreningar och global uppvärmning och söka efter biotekniska tillämpningar som nya antibiotika eller nya sätt att bryta ner plast – möjligheterna är oändliga.”

En bedrift av teknisk innovation och vetenskapligt samarbete

Forskare har kartlagt den marina biologiska mångfalden i hundratals år, men har ställts inför olika utmaningar för att skapa en fullständig atlas över livet i havet. En av utmaningarna är att de flesta marina organismer inte kan studeras i ett laboratorium. När DNA-sekvenseringstekniken gjorde sitt intåg övervann man detta problem genom att organismer kunde identifieras direkt från havsvatten och sediment.

”Eftersom varje art har sin egen uppsättning gener kan vi identifiera vilka organismer som finns i ett havsprov genom att analysera dess genetiska material”, förklarar Laiolo. ”Två tekniska framsteg har gjort detta möjligt i stor skala.

”Det första är den enorma ökningen av hastigheten och minskningen av kostnaden för DNA-sekvenseringstekniker. Detta har gjort det möjligt för forskarna att sekvensbestämma allt genetiskt material i tusentals havsprover.”

”Den andra är utvecklingen av massiv beräkningskraft och AI-teknik, som gör det möjligt att analysera dessa miljontals sekvenser.”

Teamet använde KMAP för att skanna DNA-sekvenser från 2 102 havsprover som tagits på olika djup och platser runt om i världen. Denna avancerade datorinfrastruktur identifierade 317,5 miljoner gengrupper, av vilka mer än hälften kunde klassificeras enligt organismtyp och genfunktion. Genom att matcha denna information med provets plats och livsmiljötyp ger den resulterande katalogen en aldrig tidigare skådad information om vilka mikrober som lever var och vad de gör.

”Den här prestationen återspeglar den avgörande betydelsen av öppen vetenskap”, säger Duarte. ”Att bygga upp katalogen var bara möjligt tack vare ambitiösa globala seglingsexpeditioner där proverna samlades in och delningen av provernas DNA i det öppna europeiska nukleotidarkivet. Vi fortsätter detta samarbete genom att göra katalogen fritt tillgänglig.”

En mängd vetenskapliga och industriella tillämpningar

Katalogen har redan avslöjat en skillnad i mikrobiell aktivitet i vattenpelaren och på havsbotten, liksom ett överraskande antal svampar som lever i den ”skymningslika” mesopelagiska zonen. Dessa och andra insikter kommer att hjälpa forskare att förstå hur mikrober som lever i olika livsmiljöer formar ekosystem, bidrar till havens hälsa och påverkar klimatet.

Katalogen fungerar också som en baslinje för att spåra effekterna av mänsklig påverkan som föroreningar och global uppvärmning på det marina livet. Dessutom erbjuder den en mängd genetiskt material som forskare kan skanna efter nya gener som kan användas för läkemedelsutveckling, energi och jordbruk.

På väg mot ett globalt havsgenom

KMAP Ocean Gene Catalog 1.0 är ett första steg mot att utveckla en atlas över det globala havsgenomet, som kommer att dokumentera varje gen från alla marina arter i världen – från bakterier och svampar till växter och djur.

”Vår analys belyser behovet av att fortsätta provtagningen av haven, med fokus på områden som är underutforskade, såsom djuphavet och havsbotten. Eftersom havet ständigt förändras – både på grund av mänsklig aktivitet och naturliga processer – kommer katalogen också att behöva uppdateras kontinuerligt”, säger Laiolo.

Duarte varnar för att katalogens framtid är osäker, trots dess uppenbara fördelar. Ett stort hinder är den internationella lagstiftningen om fördelning av vinster från upptäckter som görs på internationellt vatten.

”Även om 2023 års fördrag om det fria havet erbjuder vissa lösningar, kan det oavsiktligt hindra forskning genom att minska incitamenten för företag och regeringar att investera. Sådan osäkerhet måste lösas nu när vi har nått den punkt där genetiska tekniker och tekniker för artificiell intelligens kan öppna upp för innovation och framsteg utan motstycke inom blå bioteknik”, avslutade han.

Ytterligare information: Elisa Laiolo et al, Metagenomic probing toward an atlas of the taxonomic and metabolic foundations of the global ocean genome, Frontiers in Science (2024). DOI: 10.3389/fsci.2023.1038696

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.