科大研究团队解开无肠深海管虫的基因组秘密

为制造生物材料和营养互补等应用带来研究新方向 

27-07-2021

香港科技大学(科大)的研究人员首次破解无肠深海管虫的染色体层面基因组,发现了管虫如何透过其共生细菌为其制造的有机营养物,令牠得以于极端环境中生存的机制。有关研究为制造生物材料及抑制微生物繁殖等应用范畴提供基础。

Tubeworms are present as large habitat-forming chitinized tube bushes in the deep-sea, where photosynthesis-derived organic matter are scarce.
管虫在深海以大型几丁质管丛形成栖息地,在此环境当中,由光合作用所转化出的有机物质通常十分稀缺。

深海管虫是深海海底热泉(hydrothermal vent)和冷泉(cold seep) 这种黑暗、高压并经常含有高浓度有毒物质生态环境的常见生物,它们之所以能于此等极端环境中生存兼迅速生长的原因,实有赖于存活在牠们体内、一种能让硫化物氧化的细菌。不过,由于缺乏基因组的数据,这段互补「联姻」的成功一直是一个谜。

现在,由科大海洋科学系讲座教授暨系主任钱培元及香港浸会大学生物系教授邱建文共同带领的研究团队,从南中国海水深约1,400米的海底冷泉区成功采集深海管虫样本,并对深海管虫及其共生细菌的基因组进行测序组装和分析,探究两者成功建立共生关系背后的基因组特征。

Tubeworms’s tube – a unique supporting structure for them to acquire inorganic matter from the seabed, from which allows their co-living bacteria to produce organic nutrients.
管虫独特的支撑结构「几丁质管」,让管虫能从海底获取无机物,供与其共生的细菌制造有机营养物质。

透过基因组学、转录组学和蛋白组学分析,研究团队发现共生细菌适应性强,能将多种包括硫代硫酸盐、一氧化碳和氢气等化学物质转化为能源。

身兼科大捷成David von Hansemann 理学教授的钱教授表示:「该细菌拥有完整的新陈代谢途径,为管虫输出营养,包括碳水化合物、氨基酸和维生素/辅因子等生物化合物。」研究团队亦发现细菌为求与深海管虫共生,演化出能分散宿主免疫系统注意力的策略,以逃避其防御机制。与此同时,深海管虫的基因组亦出现了改变以促进这个共生过程。管虫不但会制造一种酶去消化这个细菌以获取营养,更拥有一个可以控制细胞死亡的路径,以确保细菌数量维持在对自己最有利的水平。

为了解让管虫得以从海底获取无机物、被称为「几丁质管」这独特结构的形成机制,团队进一步分析了管虫坚韧的几丁质管的蛋白质,发现了 35 种几丁质管基质蛋白,包括合成几丁质微纤维并将其分泌到细胞外基质的聚合酶、聚合几丁质并为有机基质提供聚合物框架的几丁质结合蛋白,以及能增强管韧性及重塑几丁质支架的的蛋白质。

钱教授补充谓:「我们的研究发现为不同应用范畴带来新方向,如开发补充营养策略或抑制微生物繁洐的新方法等。而深海管虫所制造的酶,亦可能发展成一种新的生物材料。」

研究结果已于国际学术期刊《Molecular Biology and Evolution》《The ISME Journal》发表。

科大海洋科学系讲座教授暨系主任钱培元(前排左)、浸大生物系教授邱建文(前排右)及研究团队。
科大海洋科学系讲座教授暨系主任钱培元(前排左)、浸大生物系教授邱建文(前排右)及研究团队。

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