《深海微生物的生命特征及其参与有机质生物地球化学循环的机制》

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该项目属于海洋科学领域,是海洋微生物学与微生物海洋学科的基础研究。海洋占地球表面积的71%,深度1000米以上的深海占海洋面积的92.4%。深海水体及沉积物中生存有大量的微生物,其生物量占地球总生物量的三分之一以上,是深海生态系统的最主要类群,是深海生物地球化学循环的主要推动者,并对全球碳、氮循环和气候变化产生重要影响。深海具有低温、高压等极端特性。深海生态系统不依赖或不完全依赖光驱动,具有独特的运转机制。因此,对深海微生物的研究将导致对生命科学的全新发现(paradigm-shifting discoveries)但对深海微生物独特的生命特征、环境适应及其在深海碳、氮等生物地球化学循环中的作用与机制了解很少。该项目针对上述科学问题,开展了系统研究,取得如下重要科学发现:系统揭示了典型深海细菌Pseudoalteromonas sp.SM9913具有颗粒附着、群体涌动和个体游动等多样性的生活类型及其遗传与生理机制。揭示了未培养深海MCG类群古菌独特的生理与遗传特性及其进化机制。首次发现P.sp.SM9913胞外Thermolysin家族蛋白酶从酶原到过渡态复合物存在独特的“紧缩态-舒张态”的构象转变,阐明了该酶自催化成熟的过程与分子机制,解决了近40年来未解决的生物化学领域中这一重要科学难题。发现Thermolysin家族蛋白酶通过优化酶分子内的氢键动态提高适冷性的新策略,提出了深海微生物酶对低温环境的一种全新的适冷机制模型。从纳米尺度和生化生态学新视角,揭示了深海细菌新型蛋白酶、褐藻胶裂解酶、木聚糖酶与高分子量有机碳、氮的相互作用及降解过程与分子机制,为阐明深海微生物在深海有机碳、氮等生物地球化学循环中的作用与机制提供了重要依据。该项目已发表SCI论文63篇,其中8篇代表作发表在PNAS、Nature集团旗下ISME J、J Biol Chem等国际知名期刊上,4篇发表在Nature Index收录68种期刊(PNAS、J Biol Chem)上。20篇主要论文他引849次,SCI他引609次;8篇代表作他引256次,SCI他引179次,其中包括被Nature,Science,Nat Rev Microbiol, Annu Rev Earth Planet Sci, ISME J等国际知名期刊多次引用。发现点一的研究结论被丹麦奥胡斯大学地球微生物研究中心主任、国际知名海洋微生物学者Jørgensen教授等课题组Nature文章所证实;发现点二得到了南非皇家学会主席Cowan,美国国家癌症研究所高级研究员、波兰科学院外籍院士Wlodawer的引用和关注,美国加州大学伯克利分校化学系主任、Biotechnol Bioeng主编Clark在国际知名期刊Annu Rev Chem Biomol Eng发表的文章认为该发现点“…阐明了一种特殊情况…”。发现点三发现的褐藻胶裂解酶被美国科学院院士Baker等认为具备“低分子量”、“双功能”、“高活性”的优点,被用于构建了生物能源发酵平台,文章发表在Science上。

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