缺氧高壓中演化出的酶，竟比實(shí)驗(yàn)室合成藥還穩(wěn)定？

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想象一個(gè)幾乎與世隔絕千萬年的"地下實(shí)驗(yàn)室"，這里黑暗、缺氧、高壓，卻孕育著1730種病毒構(gòu)成的神秘生態(tài)系統(tǒng)。
中國(guó)科學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在南海永樂藍(lán)洞——這個(gè)深達(dá)301米、被當(dāng)?shù)貪O民稱為"龍洞"的世界最深海底天坑中，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人震驚的事實(shí)：約77%的檢測(cè)到的病毒此前從未被科學(xué)界記錄，現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中找不到任何對(duì)應(yīng)信息。
發(fā)表在《EnvironmentalMicrobiome》雜志上的這項(xiàng)研究，不光開啟了深海微生物學(xué)的新一頁，而且很有可能給人類攻克重大疾病提供前所未有的生物資源庫。

極端環(huán)境中的生命密碼
永樂藍(lán)洞比較特別的地方在于，它有著分層的水體構(gòu)造，從表層的含氧區(qū)域，到深層的缺氧區(qū)域，接下來就形成了完全不一樣的化學(xué)梯度和生態(tài)位。
研究團(tuán)隊(duì)利用宏基因組測(cè)序技術(shù)，分別從"病毒組分"和"細(xì)胞組分"的海水樣本中提取遺傳信息，系統(tǒng)性地描繪出這個(gè)封閉生態(tài)系統(tǒng)的病毒圖譜。
基因共享網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)，深層缺氧的區(qū)域有很多全新的病毒屬，而表層含氧區(qū)域的病毒屬和南海開放水域的病毒有重疊。
那些屬于Patescibacteria、Desulfobacterota和Planctomycetota這類原核生物種類的生物，就是這些病毒主要的宿主，它們依靠硫氧化和硝酸鹽還原這類特殊的新陳代謝方式，在極端環(huán)境中讓整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)可以推進(jìn)。
上海交通大學(xué)相關(guān)研究顯示，深海里的病毒在生態(tài)系統(tǒng)里充當(dāng)著生物量轉(zhuǎn)換器的重要角色，通過裂解宿主細(xì)菌把有機(jī)碳釋放出來，在全球范圍內(nèi)，每年能產(chǎn)生0.37到0.63吉噸有機(jī)碳，給深海食物鏈提供重要的、容易利用的有機(jī)物來源。

從深淵到應(yīng)用的三大突破

1、醫(yī)藥開發(fā)的未來金礦
深海極端環(huán)境中的微生物為爭(zhēng)奪有限資源，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)效的抗菌、抗病毒代謝產(chǎn)物。
目前全球已有40多種海洋藥物獲批上市，150多種化合物正處于臨床試驗(yàn)階段，而永樂藍(lán)洞發(fā)現(xiàn)的1730種病毒中，超過1300種是全新物種，它們可能攜帶著攻克癌癥、耐藥性感染等絕癥的"解藥密碼"。
在高壓、缺氧的環(huán)境里演化出來的深海病毒獨(dú)特酶系統(tǒng)，與傳統(tǒng)陸地微生物對(duì)比，在藥物合成方面有著不可替代的高效和穩(wěn)定。

2、工業(yè)生物技術(shù)的新引擎
海洋里的極端微生物，已經(jīng)被證實(shí)是新的水解酶的重要來源，像肽酶、脂肪酶、淀粉酶還有纖維素酶這類的
用到食品加工、紡織印染、生物燃料生產(chǎn)等工業(yè)流程里的，是這些能耐受極端溫度、鹽度和壓力的酶
比如說，從深海里的嗜壓菌里提取出來的DNA回旋酶已經(jīng)被當(dāng)作抗藥物靶標(biāo)模型來用，用來幫忙開發(fā)新一代的氟喹諾酮類抗生素。
中國(guó)科學(xué)家建立的海洋微生物基因數(shù)據(jù)庫顯示，真菌在海面下200-1000米的"暮光帶"占據(jù)超過一半的基因組比例，它們?cè)诜纸夂Ｑ笥袡C(jī)物方面的作用遠(yuǎn)超此前認(rèn)知。

3、氣候變化與生態(tài)監(jiān)測(cè)
深海藍(lán)洞是相對(duì)封閉的時(shí)間膠囊，它里面的微生物群落對(duì)環(huán)境變化比較敏感
科學(xué)家經(jīng)過好長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)永樂藍(lán)洞里病毒和宿主的相互作用模式，就可以追蹤氣候變化對(duì)深海生態(tài)系統(tǒng)的影響，比如說海洋酸化、溫度上升這類方面的影響。
病毒帶著的輔助代謝基因（AMGs）能調(diào)控宿主的能量代謝和環(huán)境適應(yīng)能力，這就給理解全球碳循環(huán)和預(yù)測(cè)海洋生態(tài)系統(tǒng)怎么回應(yīng)提供了新的生物指標(biāo)。

從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的漫長(zhǎng)征途
深海病毒研究雖然前景還挺吸引人的，但是存在好幾個(gè)挑戰(zhàn)，首先是技術(shù)方面的難題，超過90%的深海微生物沒辦法在實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)，這也就意味著大部分病毒的功能驗(yàn)證得依靠復(fù)雜的宏基因組重建和合成生物學(xué)技術(shù)。接下來是倫理還有監(jiān)管的問題，《生物多樣性公約》對(duì)于海洋遺傳資源的獲取和利益分享有比較嚴(yán)格的要求，跨國(guó)合作里的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬還有爭(zhēng)議。
另外，永樂藍(lán)洞的特殊性也限制了采樣規(guī)模，研究團(tuán)隊(duì)承認(rèn)目前樣本量還是不夠，深層缺氧區(qū)的病毒回收率比較低，那怎樣在保護(hù)這個(gè)獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)的前提下，設(shè)計(jì)出合理的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方案，就成了學(xué)界急需解決的問題，從基礎(chǔ)研究到藥物上市一般要10到15年，高昂的研發(fā)成本和不確定的商業(yè)回報(bào)也限制著資本進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。

重新定義"生命的邊界"
未來3至5年，深海病毒研究將會(huì)碰到兩個(gè)大的轉(zhuǎn)變時(shí)候，首先，人工智能所推動(dòng)的分子對(duì)接技術(shù)，會(huì)讓藥物挑選的時(shí)候大大縮短，經(jīng)過把病毒來源的自然產(chǎn)物三維構(gòu)造和疾病靶點(diǎn)數(shù)據(jù)庫相匹配，可以像鑰匙找鎖那樣精準(zhǔn)開辟，其次，合成生物學(xué)的提高，或許會(huì)讓科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里讓那些不可以培養(yǎng)的病毒從頭活動(dòng)起來，接著體系地剖析它們的生態(tài)功效和進(jìn)化順應(yīng)機(jī)制。
但更值得思考的是，當(dāng)在地球最深的藍(lán)洞里發(fā)現(xiàn)這么大的未知生命形態(tài)時(shí)，這是不是意味著我們對(duì)生命的邊界的認(rèn)知要根本性重構(gòu)，這些在極端環(huán)境里繁衍了數(shù)百萬年的病毒，或許正在提醒我們，在追求技術(shù)突破的同時(shí)，去理解并維護(hù)這些活化石生態(tài)系統(tǒng)自身，才是人類可持續(xù)發(fā)展的最終答案。

延伸閱讀：
1、《環(huán)境微生物組》期刊：永樂藍(lán)洞氧化和厭氧區(qū)域的病毒生態(tài)基因組學(xué)
2、《科學(xué)前沿》：最大的海洋微生物基因數(shù)據(jù)庫研究進(jìn)展

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