科大研究團隊解開無腸深海管蟲的基因組秘密

為製造生物材料和營養互補等應用帶來研究新方向

2021-07-27

香港科技大學(科大)的研究人員首次破解無腸深海管蟲的染色體層面基因組,發現了管蟲如何透過其共生細菌為其製造的有機營養物,令牠得以於極端環境中生存的機制。有關研究為製造生物材料及抑制微生物繁殖等應用範疇提供基礎。

Tubeworms are present as large habitat-forming chitinized tube bushes in the deep-sea, where photosynthesis-derived organic matter are scarce.
管蟲在深海以大型幾丁質管叢形成棲息地,在此環境當中,由光合作用所轉化出的有機物質通常十分稀缺。

深海管蟲是深海海底熱泉(hydrothermal vent)和冷泉(cold seep) 這種黑暗、高壓並經常含有高濃度有毒物質生態環境的常見生物,它們之所以能於此等極端環境中生存兼迅速生長的原因,實有賴於存活在牠們體內、一種能讓硫化物氧化的細菌。不過,由於缺乏基因組的資料,這段互補「聯姻」的成功一直是一個謎。

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.
管蟲獨特的支撐結構「幾丁質管」,讓管蟲能從海底獲取無機物,供與其共生的細菌轉化為有機營養物質。

現在,由科大海洋科學系講座教授暨系主任錢培元及香港浸會大學生物系教授邱建文共同帶領的研究團隊,從南中國海水深約1,400米的海底冷泉區成功採集深海管蟲樣本,並對深海管蟲及其共生細菌的基因組進行測序組裝和分析,探究兩者成功建立共生關係背後的基因組特徵。

透過基因組學、轉錄組學和蛋白組學分析,研究團隊發現共生細菌適應性強,能將多種包括硫代硫酸鹽、一氧化碳和氫氣等化學物質轉化為能源。

身兼科大捷成David von Hansemann 理學教授的錢教授表示:「該細菌擁有完整的新陳代謝途徑,為管蟲輸出營養,包括碳水化合物、氨基酸和維生素/輔因數等生物化合物。」研究團隊亦發現細菌為求與深海管蟲共生,演化出能分散宿主免疫系統注意力的策略,以逃避其防禦機制。與此同時,深海管蟲的基因組亦出現了改變以促進這個共生過程。管蟲不但會製造一種酶去消化這個細菌以獲取營養,更擁有一個可以控制細胞死亡的路徑,以確保細菌數量維持在對自己最有利的水平。

為了解讓管蟲得以從海底獲取無機物、被稱為「幾丁質管」這獨特結構的形成機制,團隊進一步分析了管蟲堅韌的幾丁質管的蛋白質,發現了 35 種幾丁質管基質蛋白,包括合成幾丁質微纖維並將其分泌到細胞外基質的聚合酶、聚合幾丁質並為有機基質提供聚合物框架的幾丁質結合蛋白,以及能增強管韌性及重塑幾丁質支架的的蛋白質。

錢教授補充謂:「我們的研究發現為不同應用範疇帶來新方向,如開發補充營養策略或抑制微生物繁洐的新方法等。而深海管蟲所製造的酶,亦可能發展成一種新的生物材料。」

研究結果已於國際學術期刊《Molecular Biology and Evolution》《The ISME Journal》發表。

科大海洋科學系講座教授暨系主任錢培元(前排左)、浸大生物系教授邱建文(前排右)及研究團隊。
科大海洋科學系講座教授暨系主任錢培元(前排左)、浸大生物系教授邱建文(前排右)及研究團隊。

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