這篇Nature文章，試圖通過深邃海洋“重塑”世界

在看不見的神秘深海中，1.5億噸塑料垃圾、170萬億微塑料顆粒正逐漸蠶食著海洋生態環境，潛藏暗處的白色污染正一點點將人類包裹。

到2050年，塑料產生的溫室氣體累計排放量將超過560億噸。

既要“治塑”，又要“降碳”，如何實現？

山東大學青島校區副校長、微生物技術國家重點實驗室常務副主任李盛英找到了答案：“生物降解的最大優點是幾乎不產生碳排放，因此，如果能從海洋中發現一種可降解塑料的微生物或酶，氣候危機的有效緩解將不言而喻。”

近日，山東大學與青島華大基因研究院（以下簡稱華大）合作，建立了迄今為止最大、最完整的“全球海洋微生物組數據庫”，構建了包含了24195個物種水平的非冗余基因組，將人類對海洋微生物的視角再度拓寬。

不僅如此，通過挖掘包含24.58億非冗余基因序列的數據庫，成功從深海熱液噴口及深淵海溝中發現嗜鹽耐熱PET水解酶，有望實現“高效滅塑“。

“dsPETase05塑料降解酶在1：1000的投料比下，降解率高達83%。” 李盛英向《中國科學報》介紹，“通俗來說，就是1克這樣的酶，可以將55個500毫升的礦泉水瓶化為水溶液。”

近日，該成果發表國際頂尖學術期刊《自然》上。

李盛英與團隊成員  受訪者供圖

相識又相見，邂逅海洋微生物

顯著成果，往往起于微末。

這次的想法起源于一次平常的散步。

山東大學青島校區東門面朝大海，出校門步行約200米，就可以到達鰲山灣海邊。美麗的海灘平緩地向大海深處延伸。

李盛英常常下班后獨自到海灘散步。

漫步海灘，輕柔的海風吹拂著疲憊一天的大腦，向遠望，翻滾的白色浪花，視線盡頭連綿的海平線與天相接。

但近處，沖上來的塑料瓶猶如往一件潔白的裙子上面滴了墨水，不由得使李盛英眉頭緊皺，但一個想法也隨之而來。

“海灘看到的塑料污染只是冰山一角，海洋里面有大量的微塑料，觸目驚心。”李盛英解釋道，“當時我想，既然海洋中的塑料如此多，能否有一種微生物可以‘吃’塑料？”

不同于陸地微生物，海洋微生物更難以在實驗室實現分離培養，目前國際公認的說法是海洋微生物中有99%的物種尚未探明。

“目前，塑料總產量已超全球動物總重量的兩倍，”李盛英介紹道，“實現塑料的循環經濟和資源化利用，助力‘塑達峰、塑中和’是我們的目標。”

他們將目標的實現瞄準蘊含無限可能的海洋。

2018年，團隊從無到有，鼓足勇氣踏入新的領域，嘗試申報國家自然科學基金委的中歐重大國際合作項目，失敗。

2019年，他們再次申報國家重點研發計劃后成功，開始做塑料降解酶的相關研究。

通過針對環境的樣品進行宏基因組測序，能夠還原大量海洋微生物的生命過程，華大將世界上所有的海洋微生物數據集成起來，構建國際最大、最完整的數據庫。

李盛英形象地介紹道，“由于我們涉足海洋微生物研究領域時間較短，可以說是‘相見不多、相識甚少’，但是對于華大來說，他們通過建立海洋微生物基因數據庫實現了‘未曾相見、卻能相識’。”

兩者結合，豈不是能夠對微生物既相識又相見，從而揭開其神秘面紗?

就這樣，2022年，山東大學開始了與華大的進一步合作。

李盛英進行微生物實驗操作   受訪者供圖 

一鋤頭下去，挖出金礦！

“華大構建的數據庫如同一座礦山，但只有將礦山中的礦石有效開采出來，才能發揮其最大價值。李盛英笑著說道，“我們是第一批進入這個礦山的礦工。”

正如選拔跳高運動員需要對身高有一定篩選標準，根據從對陸地微生物已有的知識儲備，團隊從數據庫中序列搜索到利用人工智能算法縮小范圍，再到從海洋極端環境進一步收縮范圍，

通過層層“選拔”，潛在序列的數量從最初的3000多條縮小為200，最終降至6個。

“我們合成了這六個基因，通過大腸桿菌這種微生物把這六種酶表達出來，然后與PET塑料膜與提純出的酶混合反應。”李盛英介紹道，“但是非常失望，什么都沒有發生。”

難道真的一點活性都沒有嗎，寬闊無垠的海洋，還有哪些不一樣的特質？

試想一下，如果被海水嗆一口，人們最先感嘆道的常常是“這海水也太咸了”！

海水中還有鹽！

幾次討論后，團隊決定再加入鹽試一下，結果表現出了很高的活性，且鹽濃度越高活性也越強。“

2022年底，他們從深海發現高活性野生型嗜鹽耐熱PET塑料降解酶，發現在飽和鹽水，55 oC條件下，PET塑料降解活性是日本科學家報道的IsPETase (Science, 2016) 活性的44倍。

李盛英對記者開玩笑說：“我們進入人類從沒有涉獵過的‘礦山’的時候，第一鋤頭，就非常快速地挖到了金礦。”

“第一鋤頭就能挖到這么好的金礦嗎？”李盛英自問道，比起運氣，團隊更相信有邏輯鏈條的科學道理。

由于大多數海洋微生物無法培養，因此人們常常從海洋里挖一塊底泥，然后對底泥中的所有微生物進行宏基因組測序，最后將測序結果向全世界公開。

李盛英他們下一步做的，就是去尋找表現出活性的樣品記錄。

“通過追溯我們發現，三條活性基因中的兩條來自中國科學家從馬里亞納海溝的取樣結果，一條來自德國科學家從印度蘇門答臘島的取樣結果。”微生物技術研究院助理研究員劉琨介紹道，“開放共享能夠更好地促進科學發展。”

而人類命運共同體的概念，也在這一刻得到了具象化的展示。

李盛英指導學生實驗    受訪者供圖 

“重塑”這個氣候嚴峻的世界

在探尋深海微生物與基因資源的路上，資源樣品都是歷經浪急船顛得來的。

山東大學、微生物技術國重室曾搭乘“蛟龍號”深海下潛5076.5米調查，取回160余份深海樣品，現場分離230余株深海微生物菌株。

過去，海洋微生物大規模處于探索階段，知識產權與核心技術的話語權都掌握在西方國家手中。隨著我國海洋科考能力逐步達到國際領先水平，對海洋微生物采探和大數據挖掘逐漸迎頭趕上，“中國科學家在海洋微生物及其資源挖掘和利用方面可以不與其他國家產生沖突，而是可以在海洋領域引領一個新賽道。”李盛英自豪表示，“我們把它稱為‘換道超車'。”

這次成果，共申請了10項專利，得益于國家專利局的最新批量預審試點服務，一個半月的時間內，一次性取得授權，而在過去這一過程往往需要2-3年時間。

李盛英說，作為第一個進入“礦山”的團隊，進入之初，他們共選定了三個采礦目標：為了解決生態環境保護問題挖掘塑料降解酶、為了解決人類健康問題挖掘抗菌肽、為了解決生物技術的底層工具問題挖掘新型的基因編輯工具。

他們將這個數據庫形象的比喻為“礦山”，對其中的資源視為富礦，而他們制定的這三個任務也在這座富礦中圓滿完成。

采礦任務雖然完成，但是撰寫“采礦日志”，投稿發表遠沒有結束。

能夠發表在Nature的文章，一投即中的太少，大多數文章都經過千錘百煉的修改。

2023年10月25日，李盛英收到了第二次的拒稿信息。

“當時我正在出差，剛到地鐵站準備再去轉飛機，得知拒稿后，立刻聯系大家。”李盛英講道，“我當時仔仔細細看完了拒稿，捕捉到了一句話，里面說，如果能夠將所有審稿人意見都滿足的話，我們這篇文章是可以被重新考慮的。”

嘈雜的地鐵站內，人流穿梭而過，李盛英勉強落腳，舉著手機同大家進行視頻會議，鼓勵視頻對面因再次被拒稿而失望的團隊成員們。

補充抗菌肽實驗、為數據庫做一個向全世界公開開放的網站、補充具體的相關實驗過程，團隊用5個月時間重振旗鼓再次打磨數據。

他們對目前已公開的近240 Tb海洋微生物宏基因組數據進行重分析，構建了包含超過4.31萬個海洋微生物基因組和24.58億條基因序列的大型數據庫。

2024年7月31日，文章被順利接收。

在大多數研究還停留在陸地微生物層面，對海洋微生物束手無策時，這篇論文由海洋孕育而來，向海而興，未來又將反哺海洋。

“從領域內的共識來說，除了一些如沙漠、火山等極端環境，目前陸地的微生物資源基本已開發殆盡，而海洋作為生命的起源地，還蘊藏著無限機會。”言談間，李盛英的觀點站在更高的視野，“以一己之力探索這樣一個廣袤的礦藏，進度和效率都不夠高，希望更多的微生物學家們都能一起進入這個‘富礦’中，共同解決人類面臨的重大問題。”

從無到有的勇氣，來源于“需要做一些有意義的事情，能夠解決人類重大問題”的科研理念。

目前,隨著歐洲征收碳稅，中國許多塑料回收加工企業的出口困境日益加劇，“如果可以降低成本、將塑料生物降解酶推向產業化，無疑是為更多企業找尋出路。“李盛英說道。

對李盛英他們來說，塑料降解只是開始，每一種塑料降解酶的工作機制與原理都各不相同，實驗中那一點點的海水味道尚不足以代表整片海洋，他們要將成果推向產業化，實現真正的商業化落地。

實現塑料的循環經濟、資源化利用、污染修復，利用微生物技術讓“塑達峰、塑中和”，“重塑”這個氣候危機嚴峻的世界。

論文相關信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07891-2