Der Ozean ist der größte Lebensraum der Welt, dennoch ist ein Großteil seiner Artenvielfalt noch unbekannt. Eine Studie veröffentlicht in Grenzen in der Wissenschaft stellt einen bedeutenden Durchbruch dar und berichtet über die bislang größte und umfassendste Datenbank mariner Mikroben – abgeglichen mit biologischer Funktion, Standort und Lebensraumtyp.
„Der KMAP Global Ocean Gene Catalog 1.0 ist ein Schritt hin zum Verständnis der gesamten Vielfalt des Ozeans, der mehr als 317 Millionen Gengruppen von Meeresorganismen auf der ganzen Welt enthält“, sagte Hauptautorin Elisa Laiolo von der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST). in Saudi-Arabien. „Der Katalog konzentriert sich auf Meeresmikroben, die durch ihren Einfluss auf die Gesundheit des Ozeans und das Klima der Erde einen großen Einfluss auf das menschliche Leben haben.“
„Der Katalog ist über die KAUST Metagenomic Analysis Platform (KMAP) frei verfügbar“, fügte der leitende Autor der Studie, Prof. Carlos Duarte, ein Fakultätsmitglied bei KAUST, hinzu. „Wissenschaftler können aus der Ferne auf den Katalog zugreifen, um zu untersuchen, wie verschiedene Meeresökosysteme funktionieren, die Auswirkungen von Umweltverschmutzung und globaler Erwärmung zu verfolgen und nach biotechnologischen Anwendungen wie neuen Antibiotika oder neuen Wegen zum Abbau von Kunststoffen zu suchen – die Möglichkeiten sind endlos.“
Eine Meisterleistung technologischer Innovation und wissenschaftlicher Zusammenarbeit
Forscher kartieren seit Hunderten von Jahren die biologische Vielfalt der Meere, standen jedoch bei der Erstellung eines vollständigen Atlas des Meereslebens vor verschiedenen Herausforderungen. Einer davon ist, dass die meisten Meeresorganismen nicht in einem Labor untersucht werden können. Das Aufkommen von DNA-Sequenzierungstechnologien überwand dieses Problem, indem es die direkte Identifizierung von Organismen aus Meerwasser und Sedimenten ermöglichte.
„Da jede Art ihren eigenen Satz an Genen hat, können wir durch die Analyse ihres genetischen Materials identifizieren, welche Organismen sich in einer Meeresprobe befinden“, erklärte Laiolo. „Zwei technologische Fortschritte haben dies in großem Maßstab möglich gemacht.
„Der erste ist die enorme Geschwindigkeitssteigerung und Kostensenkung von DNA-Sequenzierungstechnologien. Dies hat es Forschern ermöglicht, das gesamte genetische Material in Tausenden von Meeresproben zu sequenzieren.“
„Das zweite ist die Entwicklung enormer Rechenleistung und KI-Technologien, die es ermöglichen, diese Millionen von Sequenzen zu analysieren.“
Das Team nutzte KMAP, um DNA-Sequenzen aus 2.102 Meeresproben zu scannen, die in verschiedenen Tiefen und an verschiedenen Orten auf der ganzen Welt entnommen wurden. Diese fortschrittliche Computerinfrastruktur identifizierte 317,5 Millionen Gengruppen, von denen mehr als die Hälfte nach Organismustyp und Genfunktion klassifiziert werden konnte. Durch den Abgleich dieser Informationen mit dem Probenort und dem Lebensraumtyp liefert der resultierende Katalog beispiellose Informationen darüber, welche Mikroben wo leben und was sie tun.
„Dieser Erfolg spiegelt die entscheidende Bedeutung der offenen Wissenschaft wider“, sagte Duarte. „Der Aufbau des Katalogs war nur dank ehrgeiziger globaler Segelexpeditionen möglich, bei denen die Proben gesammelt wurden, und der Weitergabe der DNA der Proben im frei zugänglichen Europäischen Nukleotidarchiv. Wir setzen diese gemeinsamen Bemühungen fort, indem wir den Katalog frei verfügbar machen.“
Eine Fülle wissenschaftlicher und industrieller Anwendungen
Der Katalog hat bereits einen Unterschied in der mikrobiellen Aktivität in der Wassersäule und am Meeresboden sowie eine überraschende Anzahl von Pilzen offenbart, die in der mesopelagischen „Zwielichtzone“ leben. Diese und andere Erkenntnisse werden Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie in verschiedenen Lebensräumen lebende Mikroben Ökosysteme prägen, zur Gesundheit der Ozeane beitragen und das Klima beeinflussen.
Der Katalog dient auch als Grundlage für die Verfolgung der Auswirkungen menschlicher Einflüsse wie Umweltverschmutzung und globale Erwärmung auf das Meeresleben. Und es bietet eine Fülle an genetischem Material, das Forscher nach neuen Genen durchsuchen können, die für die Arzneimittelentwicklung, Energie und Landwirtschaft genutzt werden könnten.
Auf dem Weg zu einem globalen Ozeangenom
Der KMAP Ocean Gene Catalog 1.0 ist ein erster Schritt zur Entwicklung eines Atlas des globalen Ozeangenoms, der jedes Gen aller Meeresspezies weltweit dokumentiert – von Bakterien und Pilzen bis hin zu Pflanzen und Tieren.
„Unsere Analyse unterstreicht die Notwendigkeit, die Ozeane weiterhin zu beproben und sich dabei auf Bereiche zu konzentrieren, die noch wenig erforscht sind, wie die Tiefsee und den Meeresboden. Außerdem verändert sich der Ozean ständig – sowohl aufgrund menschlicher Aktivitäten als auch aufgrund natürlicher Prozesse – „Der Katalog muss kontinuierlich aktualisiert werden“, sagte Laiolo.
Duarte warnt davor, dass die Zukunft des Katalogs trotz seines klaren Nutzens ungewiss ist. Ein großes Hindernis ist der Status der internationalen Gesetzgebung zum Vorteilsausgleich aus Entdeckungen, die in internationalen Gewässern gemacht wurden.
„Der Hochseevertrag von 2023 bietet zwar einige Lösungen, könnte aber unbeabsichtigt die Forschung behindern, indem er die Investitionsanreize für Unternehmen und Regierungen verringert. Diese Unsicherheit muss jetzt beseitigt werden, da wir den Punkt erreicht haben, an dem genetische und künstliche Intelligenztechnologien beispiellose Innovationen ermöglichen könnten.“ Fortschritte in der blauen Biotechnologie“, schloss er.
Mehr Informationen:
Elisa Laiolo et al., Metagenomische Untersuchungen zu einem Atlas der taxonomischen und metabolischen Grundlagen des globalen Ozeangenoms, Grenzen in der Wissenschaft (2024). DOI: 10.3389/fsci.2023.1038696