《海洋极端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,是海洋生态学与微生物海洋学的基础研究。

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%。海洋水体及沉积物中生存着大量的微生物,其生物量占地球总生物量的三分之一以上,是海洋生态系统的主要类群,也是海洋生物地球化学循环的主要推动者,并对全球碳、氮、硫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。对深海微生物的研究将催生生命科学研究领域的全新发现(paradigm-shiftingdiscoveries)。对深海极端微生物独特的生命特征、环境适应及海洋微生物在海洋碳、氮、硫等生物地球化学循环中的作用与生化机制了解很少。围绕上述科学问题,该项目取得如下重要科学发现:

系统揭示了典型深海适冷菌Pseudoalteromonassp.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。

阐明了Pseudoalteromonassp.SM9913产的Thermolysin家族蛋白酶的成熟过程和分子机制,解决了近40年未解决的生物化学难题,首次发现“紧缩态-舒张态”构象转变是该过程的一个关键步骤。提出了Thermolysin家族蛋白酶对低温环境的适应机制模型,并发现了酶“通过优化氢键动态持续性提高适冷性”的适应低温环境的新策略。

从生化生态学新视角,揭示了海洋细菌新型蛋白酶、褐藻胶裂解酶、木聚糖酶、二甲基巯基丙酸内盐(DMSP)裂解酶与海洋有机碳、氮、硫的相互作用及降解过程与分子机制,为阐明微生物在海洋有机碳、氮、硫等生物地球化学循环中的作用与生物化学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ISMEJ、JBiolChem等国际知名期刊上,4篇发表在NatureIndex收录68种期刊(PNAS、JBiolChem)上。20篇主要论文他引581次,SCI他引481次;8篇代表作他引224次,SCI他引166次,其中包括被Nature、Science、AnnuRevEarthPlanetSci、ISMEJ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Jørgensen教授等的Nature文章所证实。发现点二得到了南非皇家学会主席Cowan和美国国家癌症研究所高级研究员、波兰科学院外籍院士Wlodawer的关注和引用,美国加州大学伯克利分校化学系主任、BiotechnolBioeng主编Clark在国际知名期刊AnnuRevChemBiomolEng发表的文章认为该发现点“…阐明了一种特殊情况…”。发现点三中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,被其用于构建生物能源发酵平台,相关文章发表在Science上;研究DMSP裂解酶的论文在最新的综述中被推荐为2篇“ofoutstandinginterest”文献之一。该项目第一完成人入选国家杰青和国家百千万人才工程,主持国家自然基金重大项目和重点项目,应邀多次做国际学术会议报告,担任微生物领域知名杂志ApplEnvironMicrobiol编委、FEMSMicrobiolLett编辑、国际南极科学最高学术权威机构SCAR中方代表和中国国际海底新资源领导小组生物资源工作组副组长。国际海域微生物资源没有国家归属,该项研究为保障中国权益、提升中国在国际上的话语权奠定了理论基础。

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