探秘海洋病毒与细菌的新成果
（一）海洋病毒探秘的新信息
——海洋中发现五千多种新核糖核酸病毒[6]
2022年4月，美国俄亥俄州立大学微生物学家组成的一个研究团队，在《科学》杂志上发表论文称，他们从世界各地收集的海水样本中，发现了5000多种新核糖核酸病毒，把它们归类之后，使核糖核酸病毒门的数量增加了一倍。这一有关核糖核酸病毒的新数据宝库，扩大了生态研究的可能性，并重塑了人们对这些小而重要的亚微观粒子如何进化的理解。
该研究团队收集了海水样本，并通过搜索编码核糖核酸依赖的核糖核酸聚合酶(RdRp)的基因，对它们进行病毒核糖核酸测序。研究人员随后使用超级计算机和机器学习算法，为核糖核酸病毒建立系统发育树，共发现5504种新的海洋核糖核酸病毒，并将已知核糖核酸病毒门的数量从5个增加到10个。
研究人员把新发现的病毒，归入五个新提出的门。从地理上绘制这些新序列显示，其中两个新门数量特别丰富。
研究人员相信，新发现5个病毒门的一个可能，是研究人员长期寻找的核糖核酸病毒进化中缺失的一环，它将两个已知的核糖核酸病毒分支连接起来，这些分支在复制方式上存在分歧。这一发现，填补了病毒进化历史中缺失的部分空白。
研究人员说，更多了解世界海洋中病毒的多样性和丰度，将有助于解释海洋微生物在海洋适应气候变化中的作用。海洋吸收了大气中人类产生的二氧化碳的一半，该研究团队之前的研究表明，海洋病毒是生物泵上的“旋钮”，影响海洋中碳的储存方式。
此外，这些新病毒，不仅有助于科学家更好地了解核糖核酸病毒的进化历史，还有助于了解地球上早期生命的进化。
正如新冠疫情大流行所展现出来的一样，核糖核酸病毒会导致致命的疾病。但核糖核酸病毒在生态系统中也发挥着至关重要的作用，因为它们可以感染广泛的生物体，包括动物、植物和微生物。绘制出这些核糖核酸病毒生活在世界上的哪个位置，有助于阐明它们如何影响地球上许多生态过程的生物体。这项研究，还可帮助研究人员随着基因数据库的增长对新病毒进行分类。
（二）海洋细菌探秘的新信息
1．探索海洋细菌生理功能的新进展
⑴发现马里亚纳海沟一组细菌具有“吃油”功能。[7]2019年4月，《新闻周刊》网站报道，英国东英吉利大学生物科学院乔纳森·托德、利亚·史密斯等专家组成的一个国际研究小组，在世界海洋的最深处马里亚纳海沟底部，发现了一组具有“吃油”功能的新细菌。
托德说：“马里亚纳海沟是地球上研究得最少的环境之一，关于微生物如何在这个独特的环境下生存的信息有限。我们最初的目标是确定微生物在这种环境下生存所需要的生化过程。例如，它们以何种食物为生？它们如何在极端压力条件下生存？”
为获得这些问题的答案，研究小组收集并分析了马里亚纳海沟最深处的微生物样本，发现了这种新的可降解碳氢化合物的细菌。碳氢化合物是仅由氢原子和碳原子组成的有机化合物，在很多地方都能找到，包括原油和天然气。
托德解释说，这种细菌基本上吃的是与石油成分类似的化合物，然后将它作为养料。类似的微生物在降解自然灾难中泄漏出的石油方面发挥了作用。史密斯补充说：“此项研究的一个重要发现是，马里亚纳海沟底部有大量这种细菌，这表明此处存在大量的碳氢化合物，这些细菌随后将其用作食物来源。”
此外，他们还在沟槽底部的海洋沉积物中发现了天然存在的碳氢化合物。史密斯说：“这些碳氢化合物与我们在其他地方看见的碳氢化合物不同。这表明，马里亚纳海沟底部的微生物使用不同的生物化学方法来合成这些碳氢化合物。我们未来希望确定马里亚纳海沟中某些微生物产生碳氢化合物的生化过程，这些碳氢化合物类似于我们在柴油燃料中发现的化合物。如果我们能确定这条路径，就可以将其引入其他细菌或酵母中以生产生物燃料，这可能取代目前由化石燃料生产的柴油。”
⑵发现拥有变形视紫红质的细菌捕光功能更强。[8] 2019年8月7日，美国南加州大学生物学家戈麦斯·孔赛尔纳等人组成的一个研究小组，在《科学·进展》杂志发表论文称，他们发现，拥有变形视紫红质的细菌，能够通过视黄醛与视紫红质蛋白结合的方法来捕捉光线，从而形成更强大的捕光功能，可把更多光线转化为能量，这对细菌生存来说，在营养物质匮乏的海域尤其显得重要。
孔赛尔纳说：“在海洋中，叶绿素很重要，现在我们发现另一种色素也同样重要。”
地球上所有已知的光营养代谢都依赖于三种能量转换色素：叶绿素a、细菌叶绿素a和视黄醛（视紫红质中的色素团）。叶绿素捕获太阳能的重要性已被研究了数十年，但基于视黄醛的光营养对这一过程的贡献还未曾研究。
大约20年前，研究人员在海洋细菌中发现了变形视紫红质，它利用光将质子泵出细胞，从而在质子回流时产生能量。2007年，孔赛尔纳和同事证明，细菌可以利用这些能量生长。2011年，另一组科学家发现，视紫红质利用光维持细菌的大小和能量水平，从而使其适应低营养条件。随后的元基因组研究证实，海洋样本中存在编码蛋白视紫红质基因，但全球范围内利用这种蛋白能源生产的规模尚不清楚。
2000年，以色列理工学院微生物学家奥德·贝雅，作为第一作者首次描述了视紫红质。他说：“我们知道这很重要，但当时没有意识到这是一个如此重要的视紫红质群。这篇论文实际上把相关数字放了进去……这是我们以前没有做过的。”
该研究小组报告了三种能量转换色素，在地中海和大西洋的垂直分布。他们首先开发了一种检测视黄醛的方法，然后从地中海和大西洋的不同位置和深度收集海水样本。因为每个视紫红质蛋白会与视黄醛上的一个分子结合，他们用这种测量方法估计了每个样本中视紫红质蛋白的总数。研究发现，最高视紫红质浓度高于叶绿素a的最大值，其地理分布与叶绿素a呈负相关。视紫红质蛋白最常见于地中海营养不良的水域，叶绿素含量较低的水域往往视紫红质含量较高。
在研究小组记录了每个样本在水柱中的位置和光线强度，然后用视紫红质水平估计捕获了多少光线。评估表明，变形视紫红质能够提供让细菌存活的足够能量。然后，研究人员对微藻用来进行光合作用的叶绿素a的丰度进行了类似计算。他们发现，变形视紫红质吸收的光能至少与叶绿素a一样多，并且这种光能足以维持细菌的基础代谢。
⑶发现海洋热带沙孢菌具有抗癌功能。[9]2022年3月21日，美国加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所保罗·詹森、比尔·芬尼克和布拉德利·摩尔等专家组成的一个研究团队，在《自然·化学生物学》杂志上发表论文称，他们发现一种海洋热带沙孢菌具有抗癌功能，能够制造出有效的抗癌分子，并首次了解了激活该抗癌分子的酶驱动过程。
1990年，詹森和芬尼克在热带大西洋的沉积物中发现了该热带沙孢菌。他们发现这种海洋微生物能产生一种新的抗癌化合物。在进一步研究其分子机制中得知，一种名为SalC的酶，组装了热带沙孢菌分子特有的抗癌“弹头”。这项工作，解开了近20年来关于海洋细菌如何合成抗癌分子的谜团，并为未来制造新抗癌剂的生物技术打开大门。
目前，科学家利用热带沙孢菌产生的化合物，制成一种商品名为马里佐米的药物，用它治疗胶质母细胞瘤的第三期临床试验刚刚结束，正在等待美国食品和药品管理局审批。摩尔说，该分子药物具有跨越血脑屏障的特殊能力，这就是它在胶质母细胞瘤临床试验中取得进展的原因。这种分子药物有一个很小但很复杂的环结构。它最初是一个线性分子，可以折叠成更复杂的圆形。
研究人员表示，大自然制造SalC酶的方式非常简单，它在生物学中很常见，它参与人体脂肪酸和微生物中红霉素等抗生素的生成。
此外，SalC酶进行的反应与一般的酮合酶非常不同。一般的酮合酶，是一种帮助分子形成线性链的酶。相比之下，它通过形成两个复杂的、反应性的环结构来制造热带沙孢菌分子化合物。
基于这些信息，科学家们现在或能制造出这种复杂环结构的酶，为未来研究抑制各类疾病的治疗方式打开了新大门。
2．探索海洋生物肠道菌群的新发现
发现饮食和演化历史塑造出鲸鱼肠道菌群。[10]2015年9月，美国哈佛大学乔恩·桑德斯领导的一个研究小组，在《自然·通讯》发表论文指出，须鲸的肠道菌群，与陆地上食草动物较为相似。这项发现，支持了饮食和演化历史都有助于塑造哺乳动物肠道菌群的观点。
饮食是决定哺乳动物肠道菌群构成的主要因素。但有些动物，肠道菌群的整体构成与近亲相似，即便它们的饮食完全不同。例如，食竹的大熊猫和它们的近亲熊相似。研究小组想探究须鲸是否也有类似情况。须鲸是一种海洋肉食动物，从与牛、河马相近的陆地食植祖先演化而来。
研究人员分析了，来自3个不同种的12头须鲸的粪便样本中的微生物基因。然后，把这一信息，与从其他有不同饮食的海洋或者陆地哺乳动物获得的类似信息，进行比对。结果发现，须鲸的整体微生物组成和功能范围，与它们的陆地食草亲戚相似。但特定微生物代谢通路，更类似于陆地食肉动物。
这项研究，有助于理清饮食和演化决定肠道菌群组成的复杂相互作用。作者指出，对于须鲸，演化关系和肠道菌群组成的相关性，可能表明了胃肠道结构引起的限制，鲸和它们的陆地亲属都有多节前肠作为发酵室。
3．探索海洋细菌抵抗噬菌体的新进展
揭示海洋细菌抵抗噬菌体的遗传变化规律。[11]2023年12月，华东理工大学生物工程学院刘琴领导的一个研究团队，在《国际微生物生态学会杂志》上发表论文称，他们以海洋病原菌杀鲑气单胞菌为研究对象，揭示了细菌抵抗噬菌体的遗传多样性与时序性变化规律，在细菌与噬菌体共进化方面的研究取得新进展。
在海洋生态环境中，细菌群落的多样性受到病毒群落影响，是海洋生态系统演化的关键因素。细菌与噬菌体的实验性进化，是研究微生物群落变化的简易模型。其中，感染和抵抗动态过程，同群落的遗传分化和生物多样性维持息息相关。
细菌与噬菌体共进化的过程，通常被描述为军备竞赛动态或波动选择动态。细菌可以通过多种方式抵抗噬菌体的感染，同时也可能出现不同程度的抗性代价。而在抵抗噬菌体的过程中，细菌如何权衡自身的抗性成本并维持群落动态，尚未被解析。
该研究团队鉴定了11个噬菌体抗性基因，并把其按功能分为脂多糖、外膜蛋白和双组分系统这3种类型。
在细菌与噬菌体的长期共进化实验中，研究人员发现，脂多糖和外膜蛋白的共突变是细菌抵抗噬菌体的主要方式，并由于抗性代价较低而在共进化中被保留。同时，研究中首次发现，细菌通过双组分系统抑制噬菌体转录而导致了不完全的噬菌体抗性，但难以在共进化中富集。研究团队进一步探索细菌群落表征发现：细菌在抵抗噬菌体初期的生长和毒力快速下降，表现为军备竞赛动态；随后趋于稳定，表现为波动选择动态。
这项研究，解析了共进化中海洋细菌群落动态变化过程和噬菌体抗性的进化权衡问题，有助于进一步在时间尺度上了解海洋微生物的相互作用，也为海洋病原菌的噬菌体治疗提供了理论支持。
