海绵里的“超级工厂”：揭秘地中海微生物的活性化合物合成基因！

海绵分布于全球水生栖息地，从北半球到南半球，从冷水到热带海洋，从浅水区到深海，甚至在淡水湖泊和河流中也有发现。从历史上来看，海洋海绵栖息着多种微生物，其中细菌占其生物量的重要组成部分。它们也越来越被认为是海洋环境的几种重要组成部分，因为它们具有巨大的过滤能力以及随之而来的对沿海食物网、碳、氮和其他元素的生物地球化学循环的影响。此外，据广泛报道，海绵拥有密集而多样的微生物群落，其中许多微生物是它们宿主海绵特有的。此类微生物，包括细菌、古细菌和单细胞真核生物（真菌和微藻），占海绵体积的40-60%，可以对宿主生物学产生显著的影响，如营养提供、代谢副产物的去除、化学防御和疾病庇护。例如，来自蓝藻共生体光合作用的结合碳提供了某些热带海绵50%以上的能量需求。微生物还可能有助于产生宿主用作防御的各种次生代谢物，这些次生代谢物又被报道为生物活性代谢物，在制药、药妆和营养保健品领域具有多种应用。此外，细菌是有望应用于各个领域的天然产物来源。研究它们的生物技术潜力通常会因低增长率而减弱。出于这个原因，这种独立于培养的方法，如应用于海绵的宏基因组学工具正在取得广泛的成功。但是海绵开发的一个最为显著的局限性就是，一旦确定了生物活性化合物，就很难进行获得足够生物量所需的实验室培养物。这也是避免过度捕捞和海洋环境贫瘠的必要条件。日益复杂的分子生物学技术使绕过这一障碍成为了可能，从而更容易地对不可培养的生物体进行研究。由于这些技术，包括转录组学、宏分类学和宏基因组分析，应用于海绵和海绵相关微生物，可以检查所获得的基因序列与已知微生物分类组和功能应用的系统发育关系，以找到具有特定活性的功能基因或在特定途径中具有特定功能的新基因的序列。事实上，对海绵微生物组生物合成多样性的比较宏基因组分析，强调了新型、保守和多样化的生物合成基因簇的存在。

研究结果

研究利用热图和词云展示了A. oroides的语义相似性矩阵，通过二元切割法将GO术语划分为不同的功能簇。这表明A. oroides的基因功能之间存在显著的语义关联，且这些关联可以通过特定的簇进行分类。并且通过综合分析A. oroide的基因功能和相关微生物的组成，揭示了海绵与其共生微生物之间的复杂相互作用。研究结果不仅为理解海绵的生物学特性提供了新的视角，还为探索微生物在海绵生态系统中的功能角色提供了重要线索。这些发现为进一步研究海绵-微生物共生关系及其在生态系统中的作用奠定了基础。

通过使用MMseqs2工具对大规模样本数据集与UniProtKB数据库进行比对，研究能够快速、高效地识别和注释样本中的蛋白质序列。这种方法特别适用于处理复杂的生物样本，能够显著提高研究效率，为后续的生物学分析（如功能注释、进化分析等）提供坚实的基础。其中MMseqs2是一种高性能的序列比对工具，专门用于处理大规模的生物序列数据。它能够快速地将多个查询序列与目标数据库中的序列进行比对，支持多对多的比对模式，适合处理复杂的生物信息学任务。与传统的比对工具（如BLAST）相比，MMseqs2在处理大规模数据集时具有更高的效率和更好的扩展性。

通过三种不同的可视化方法（热图、词云和GO术语分析）对H. (H.) vansoesti（一种海绵）的基因功能和相关微生物的组成进行了综合分析。通过热图和词云展示了H. (H.) vansoesti的语义相似性矩阵，揭示了基因功能之间的相似性关系。关键词的分布和频率通过词云直观地展示出来。使用二元切割法将GO术语划分为不同的簇，每个簇代表一组具有相似功能的基因或蛋白质。这种方法有助于识别基因功能的模块化特征。研究还发现某些微生物在与H. (H.) vansoesti相关的样本中过度代表，表明这些微生物可能与海绵存在特殊的共生关系。  通过分析蛋白质来源，确定了海绵自身与共生微生物分别贡献的蛋白质比例。这有助于理解海绵与微生物之间的代谢分工。在与H. (H.) vansoesti相关的微生物中，某些GO术语在功能类别中过度代表。这些术语可能与微生物的特定生物学功能相关。通过红色突出显示，研究强调了这些关键术语的重要性，表明它们可能在海绵与微生物的相互作用中发挥关键作用。

通过河流图展示了分子功能和生物过程的分布情况，揭示了基因或蛋白质在不同功能和过程中的动态变化。这些发现可能有助于理解生物体在特定条件下的适应性机制，以及基因或蛋白质在生物体中的功能角色。这种分析对于研究生物系统的复杂性提供了重要的视角，有助于进一步探索基因功能和生物过程之间的相互作用。

参考文献DOI：10.1016/J.MARGEN.2025.101202