DeepSeaQuence – Uncovering the metabolic secrets and capacity of Arctic deep-sea hydrothermal vent microbiomes

Dypt under havoverflaten, der sollys aldri trenger ned og vanntemperaturen svinger mellom iskaldt og kokende varmt, finner livet ekstraordinære måter å overleve på. Dypvanns hydrotermale kilder, sprekker i havbunnen som slipper ut varme og mineralrike væsker, huser noen av de mest særpregede økosystemene på Jorden. Disse avsidesliggende områdene drives ikke av sollys, men av kjemi, og kan bære nøkkelen til nye vitenskapelige gjennombrudd. DeepSeaQuence-prosjektet hadde som mål å avdekke den skjulte verdenen av mikroorganismer som lever i hydrotermale kilder langs den arktiske midthavsryggen. Selv om de er usynlige for det blotte øye, former disse mikrobene dypvannsmiljøet og står for viktige prosesser som karbonkretsløp, metanoksidasjon og mineralomdanning. Enda mer spennende er deres unike enzymer og bioaktive molekyler, som kan inspirere til nye teknologier, medisiner og bærekraftige industrielle løsninger. Ved hjelp av avansert DNA-sekvensering, mikroskopi og geokjemiske analyser, kartla forskerne i DeepSeaQuence og deres samarbeidspartnere det rike mikrobielle livet i arktiske varme kilder som Fåvne, Loki’s Castle, Aegir’s kilde og Aurora. Blant de mest oppsiktsvekkende funnene var nye grupper av metanforbrukende arkeer, jernoksiderende bakterier og dypt forgrenede arkegrupper som Korarchaeia. Disse organismene trives under ekstremt trykk og høye temperaturer, og noen av dem bruker metabolske strategier som knapt finnes andre steder. Flere av funnene har allerede resultert i vitenskapelige publikasjoner, inkludert en prisvinnende artikkel om gåtefulle metanoksiderende arkeer (ANME-1). Prosjektet avslørte også hvordan mikrober samarbeider og konkurrerer i disse mørke miljøene. Mange arter er gjensidig avhengige, deler næringsstoffer eller samarbeider om å bryte ned kjemiske forbindelser i de varme væskene. Disse interaksjonene danner komplekse næringsnett som holder dypvannsøkosystemet i gang. Å forstå slike relasjoner er avgjørende for å forutsi hvordan disse habitatene reagerer på miljøendringer, og for å lære hvordan vi kan dyrke eller utnytte disse organismene i bioteknologiske anvendelser. Mikrober i dypet må tåle ekstrem varme, høyt trykk og kraftige kjemiske påkjenninger, og for å overleve produserer de uvanlig robuste enzymer og biomolekyler. DeepSeaQuence identifiserte et stort antall tidligere ukjente antimikrobielle peptider, små molekyler som bakterier bruker i kampen mot konkurrenter. I en tid med økende antibiotikaresistens kan slike naturlige forbindelser bli verdifulle utgangspunkt for fremtidens medisiner. Prosjektet avdekket også nye termostabile enzymer, inkludert kraftige proteaser og carrageenannedbrytende sulfataser, som kan få anvendelse i bærekraftige industrielle prosesser og miljøvennlig biokonvertering. Utover de vitenskapelige funnene har DeepSeaQuence bidratt til å utdanne en ny generasjon forskere innen dyphavsmikrobiologi, bioteknologi og arktisk miljøvitenskap. Ved å kombinere feltarbeid, avanserte laboratoriemetoder og internasjonalt samarbeid har prosjektet åpnet et vindu inn i en verden som fortsatt er blant Jordens minst utforskede. Funnene utdyper ikke bare vår forståelse av hvordan liv kan eksistere under ekstreme forhold, men viser også det enorme potensialet som dypvannsøkosystemer har for bærekraftig innovasjon. Når menneskeheten vender blikket mot dypet for kunnskap, ressurser og inspirasjon, bidrar prosjekter som DeepSeaQuence til at utforskningen skjer med ansvarlighet ved å drive vitenskapen fremover, samtidig som vi beskytter de sårbare miljøene som muliggjør disse ekstraordinære oppdagelsene.

The results achieved in the DeepSeaQuence project are expected to have substantial impact across research, technological development, and broader society. The project has expanded the taxonomic and functional understanding of Arctic hydrothermal vent microbiomes, providing new insights into how microorganisms contribute to ecosystem functioning and biomass production in deep sea environments. This improved knowledge base strengthens the scientific foundation for studying extreme ecosystems and contributes to broader developments in microbial ecology and evolutionary biology. The project also delivered deeper insight into microbial interactions and ecosystem processes, including how physical and metabolic interdependencies structure microbial communities in vent habitats. These contributions are expected to advance the research field by informing future studies on community dynamics, biogeochemical cycling, and the role of extremophiles in global processes. A major area of anticipated significance lies in the identification of novel enzymes and bioactive compounds with clear biotechnological potential. The discovery of new antimicrobial peptides and thermostable enzymes (e.g., sulfatases and proteases) positions Arctic hydrothermal vent microbiomes as valuable sources for future developments in drug discovery, industrial biotechnology, diagnostics, and sustainable bioprocesses. Finally, the project has built a robust and long lasting knowledge base, including curated genomic resources, metagenomic workflows, and extensive training through theses and dissemination activities. This contributes directly to capacity building in Arctic deep sea microbiology, ensuring that expertise, tools, and data continue to support scientific and societal applications beyond the project period.

The impact of biodiscoveries from deep sea hydrothermal vents are undisputed. Enzymes from deep-sea hydrothermal vents are commonly used in diagnostic testing of infections, such as Covid-19. However, discovery of new microbial lineages and identifying microbial processes surrounding deep sea hydrothermal systems is an essential first step in the transfer to human applications. Estimates based on DNA surveys suggest that uncultivated microorganisms make up as much as 81% of all microbial cells on Earth, inferring some kind of function which we have just started to understand based on their genetic potential. Intriguingly, uncultured microorganisms are numerically dominant in all major environments on Earth including the fascinating and inaccessible deep-sea hydrothermal systems. DeepSeaQuence aims at revealing the genetic and functional diversity of the vast unknown microbial diversity in deep-sea hydrothermal vents by studying vent fields along the Arctic Mid-Ocean ridge. DeepSeaQuence thus focuses on one of the least explored marine realms. DeepSeaQuence aims to provide important base-line ecosystem knowledge of a habitat, that is an important Norwegian reservoir of mineral resources and as a site where bioprospecting activities may lead to the discovery of new biomolecules of immense economical value. DeepSeaQuence will go beyond the exploratory and seek out added values and possibilities to address central global challenges within focus on natural resources and the marine environment. DeepSeaQuence is interdisciplinary, spanning microbial ecology, geobiochemistry, microbial interactions, bioinformatics, supported by advanced Norwegian marine technology. Altogether, the knowledgebase provided by DeepSeaQuence will impact our understanding of the distribution, diversity, metabolic repertoire, and interactions of the vastly uncultivated, and thus far largely unknown, microbial biosphere in deep-sea hydrothermal systems.