宏基因组技术在开发未培养环境微生物基因资源中的应用

环境微生物宏基因组是一个巨大的基因资源库,但是仅有0.1%～1%的微生物在现有技术条件下是可培养的,因此致使未培养微生物基因资源的开发利用受到限制.宏基因组技术直接提取环境样品总DNA,避开了微生物分离培养的问题,极大扩展了微生物资源的利用空间,增加了获得新生物活性物质的机会.简要介绍了宏基因组的概念及宏基因组克隆技术的基本操作流程和技术要点,重点阐述了目的基因富集、核酸提取、载体和宿主系统选择、宏基因组文库筛选等"瓶颈"技术的研究进展.目的基因富集技术主要包括稳定同位素探针(SIP)、抑制消减杂交(SSH)和差异显示(DD)等.基因文库筛选分为序列依赖性筛选和非序列依赖性筛选,其中序列依赖性筛选包括特定基因PCR、反转录PCR (RT-PCR)、DNA微阵、亲和捕获等技术;非序列依赖性筛选主要指基于基因表达活性筛选和基因"陷阱"技术等.此外,介绍了一些近年来通过构建宏基因组文库筛选目的基因的应用实例.     

宏基因组学在微生物活性物质筛选中的应用

采用传统分离培养筛选微生物新活性物质的方法受到很大制约,自然界99%以上的微生物不能培养,其资源开发受到很大限制。环境微生物宏基因组技术应用避开了微生物分离纯培养问题,极大拓展了微生物资源的利用空间,增加获得新活性物质的机会和途径。本文着重介绍宏基因组的概念、研究策略包括DNA提取、文库构建与筛选等及在微生物活性物质筛选中的应用,并对宏基因组研究中存在的问题进行探讨。     

宏基因组与宏基因组学

宏基因组学诞生于上世纪90年代,是指不经过微生物培养阶段,采用直接提取环境中总DNA的方法,对微生物基因总和进行研究的一门新学科.宏基因组技术的出现,使得人们对占微生物总体99%以上不可培养微生物的研究成为现实,微生物基因的可探测空间显著增大.总的来说,目前宏基因组技术的应用主要分为两个方面:一方面是筛选功能基因,开发具有所需功能的蛋白;另一方面是通过对宏基因组文库进行分析,探讨在各种环境下微生物间相互作用和微生物与周围环境间相互影响的规律,以便我们能更加客观、全面地认识微生物世界.在宏基因组技术的应用范围被不断扩展的同时,围绕着宏基因组文库的构建和筛选、测序和分析等方面的研究已成为宏基因组学发展的主要推动力,宏基因组技术的进步将不断提升其应用价值.     

宏基因组学:土壤微生物研究的新策略

土壤中多数微生物不可培养,这限制了微生物资源的开发利用。宏基因组学方法在开发和利用不可培养微生物资源方面有巨大潜力,可以将其运用到土壤微生物学研究中。对土壤宏基因组DNA的提取、宏基因组文库的构建和筛选等方面的研究现状和进展进行了简要综述。     

宏基因组学技术在微生物功能酶开发中的应用

宏基因组学技术以特定环境样品中微生物复杂群落的基因组总和为研究对象,突破了传统微生物纯培养方法的局限,为不可培养微生物中丰富的基因资源的开发和利用提供了强有力的工具,已经取得了令人瞩目的研究进展。对宏基因组学技术及其在微生物功能酶新基因发现中的应用进行综述。     

微生物宏基因组数据分析方法研究进展

随着测序技术的迅速发展,人们对宏基因组的研究逐渐深入。通过宏基因组学对微生物群落的测序和分析,以理解微生物组成与环境之间的相互作用。微生物宏基因组的分析摆脱了传统研究中微生物分离培养的技术限制,并获得了微生物群落的相对丰度和群落的功能等信息。用于微生物数据分析的工具和软件较多,对于研究者选择合适的分析方法具有一定困难。概述了微生物宏基因组分析方法的流程,总结了分析中常用的工具及软件,为研究者快速筛选分析方法,揭示数据背后的生物学意义提供参考。     

宏基因组学挖掘新型生物催化剂的研究进展

微生物蕴藏着大量具有工业应用潜力的生物催化剂。然而,传统培养方法只能从环境中获得不到1%的微生物。宏基因组学是通过提取某一特定环境中的所有微生物基因组DNA、构建基因组文库并对文库进行筛选,寻找和发现新的功能基因的一种方法。它绕过了微生物分离培养过程,成为研究环境样品中不可培养微生物的有力手段。因此,从宏基因组中挖掘新型生物催化剂一直倍受生物学家的关注。以下主要对宏基因组文库的样品来源、DNA提取方法、文库的构建和筛选策略的选择这4个方面的研究状况进行了综述,列举了近年来利用宏基因组技术所获得的新型生物催化剂,并对其今后的研究方向提出了展望。     

宏基因组样本数据的分析比较与分类

宏基因组学研究试图通过测序并分析微生物群落的DNA序列,以理解环境微生物的组成及其与环境的交互作用。宏基因组学革命性地改变了微生物学,使得以免培养的方式研究复杂生物系统中的微生物群落成为可能。第二代测序技术的不断进步和生物信息学的高速发展促进了高通量宏基因组研究的发展,大批高质量的宏基因组数据不断产生并对科学界开放,宏基因组学的重要作用被科学界广泛认可。与此同时,对应个体不同健康状态和人体不同部位的大量宏基因组样本数据不断产生,使得比较和分类宏基因组样本在微生物学研究上变得更加重要,比较宏基因组学成为宏基因组学的重要分支。主要介绍了宏基因组数据的分析比较,以及样本分类的相关研究和算法。     

海绵宏基因组文库构建及抗菌肽功能基因的初步筛选

宏基因组文库技术是利用未培养微生物基因资源的有效途径。成功构建澳大利亚厚皮海绵的Fosmid宏基因组文库,插入片段平均大小为36.8kb。利用建立的宏基因组文库,采用PCR技术初步筛选到具有编码抗菌肽的功能基因。这是我国首次尝试构建海绵宏基因组文库,对于今后开发利用海绵丰富的基因资源具有重要的意义。     

宏基因组学技术的研究与挑战

宏基因组学研究作为研究微生物种群生态分布、群体遗传特征和基因相互作用的新兴学科领域,在很大程度上促进了环境微生物资源,特别是未培养微生物资源的开发利用,在土壤、海洋、人体医学、药物等各个领域的应用中取得了突破性的进展,为发现新的生物活性物质提供了新的有效途径。就宏基因组学研究进展进行综述,并重点介绍了宏基因组学研究中的机遇及挑战。     

宏基因组学在人和动物胃肠道微生物研究中的应用进展

人和动物胃肠道存在大量微生物群落,这些微生物是与宿主长期共同进化的结果,并且同宿主的健康和疾病密切相关,因此胃肠道微生物研究已成为当今的热点研究领域。宏基因组学技术在这一领域的应用,使我们不仅能够对胃肠道微生物群落结构及多样性进行分析,还能进一步深入了解其代谢功能,开发和利用潜在的微生物及其基因资源。文中结合我们的研究工作,综述了宏基因组学在人和动物胃肠道微生物研究中的应用,同时着重介绍宏基因组研究的生物信息学技术。     

基因芯片技术在食品检测中的应用

基因芯片技术是鉴别微生物和转基因成分最有效的手段之一,为全面、快速、准确地进行食品安全检测提供了一个崭新的平台。本文阐明了近年来基因芯片技术在食品微生物、食品转基因成分等检测研究中的基本原理、方法和应用,并综述了基因芯片技术在食品检测中存在的问题、解决方法与发展方向。     

Perspectives of plant-associated microbes in heavy metal phytoremediation

"Phytoremediation" know-how to do-how is rapidly expanding and is being commercialized by harnessing the phyto-microbial diversity. This technology employs biodiversity to remove/contain pollutants from the air, soil and water. In recent years, there has been a considerable knowledge explosion in understanding plant-microbes-heavy metals interactions. Novel applications of plant-associated microbes have opened up promising areas of research in the field of phytoremediation technology. Various metabolites (e.g., 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid deaminase, indole-3-acetic acid, siderophores, organic acids, etc.) produced by plant-associated microbes (e.g., plant growth promoting bacteria, mycorrhizae) have been proposed to be involved in many biogeochemical processes operating in the rhizosphere. The salient functions include nutrient acquisition, cell elongation, metal detoxification and alleviation of biotic/abiotic stress in plants. Rhizosphere microbes accelerate metal mobility, or immobilization. Plants and associated microbes release inorganic and organic compounds possessing acidifying, chelating and/or reductive power. These functions are implicated to play an essential role in plant metal uptake. Overall the plant-associated beneficial microbes enhance the efficiency of phytoremediation process directly by altering the metal accumulation in plant tissues and indirectly by promoting the shoot and root biomass production. The present work aims to provide a comprehensive review of some of the promising processes mediated by plant-associated microbes and to illustrate how such processes influence heavy metal uptake through various biogeochemical processes including translocation, transformation, chelation, immobilization, solubilization, precipitation, volatilization and complexation of heavy metals ultimately facilitating phytoremediation.     

战略性微生物资源知识产权现状研究及发展对策

微生物作为全世界分布最广且拥有量最多的生物资源,其应用已涉及到诸多领域并展现出了巨大的经济价值和社会价值。因此研究微生物及其知识产权(intellectual property rights,IPR)全产业链的现状和发展,对于我们如何全新地认知微生物,如何挖掘微生物资源以及发挥微生物作为产业最重要部分的作用具有重要的意义。我国已形成了较为完备的微生物相关专利保护体系,已形成了基于微生物的全产业链生态发展闭环格局。本文通过以微生物专利构成实质技术转移、许可和质押相关大数据分析,通过挖掘利用各种微生物资源,从战略高度探索国家开放遗传资源的大数据,围绕微生物功能性活性成分、菌株(群)基因大数据,基于微生物功能代谢产物、基因组进行数据分析、预警和专利布局,做好微生物资源IPR现状研究及发展对策。最终形成以产业为依托,战略性资源作为引导,IPR助推微生物全产业链中核心技术引擎的格局,进而实现微生物战略资源产业集群发展。     

采油微生物在微驱过程中的生长、运移及分布规律

[目的]深入了解现场微生物驱油机理、效果评价标准及影响因素.[方法]结合现场微生物驱油过程产出液的跟踪监测及室内物模实验对微生物在地层中的生长繁殖、运移及分布规律进行研究.[结果]结果表明,通过从水井注入的外源微生物在油藏中能够有效生长繁殖,而且注入的营养液也能够激活内源微生物,但由于地层渗透率及营养液浓度的影响,产出液菌浓要比注入菌浓低1-2个数量级;葡萄糖的快速降解以及地层对微生物的过滤及吸附作用使大量的微生物停留在近井地带,仅有部分微生物能够从生产井采出,而且其运移速度要比营养液慢.[结论]地层渗透率和产出液中营养物浓度是影响微生物数量及分布的两个关键因素,现场微生物驱油产出液中的菌浓一般很难达到106个/mL以上,该研究结果对微生物驱油技术的发展和应用具有重要意义.     

基于三代测序技术的微生物组学研究进展

微生物在人类生活中无处不在, 过去人们对微生物的认识仅停留在单菌培养和定性研究上, 而测序技术的发展极大地促进了微生物组学的研究。越来越多的证据表明: 人体共生微生物、特别是肠道微生物与人类健康息息相关。 二代测序技术凭借其高通量、高准确率和低成本的特点, 成为微生物组学研究中的主流测序技术。但是随着研究的深入, 二代测序技术的短读长(< 450 bp)增加了后续数据分析和基因组拼接难度, 也限制了该技术在未来研究中的应用。在此背景下, 第三代测序技术应运而生。第三代测序技术又称单分子测序, 能够直接对单个DNA分子进行实时测序, 而不需要经过PCR扩增。第三代测序技术的平均读长在2-10 kb左右, 最高可以达到2.2 Mb, 实现了长序列的高通量测序。凭借其超长的测序读长、无GC偏好性等优势, 三代测序技术为微生物基因组全长测序, 组装完整可靠的基因组提供了新的方法。本文在描述三代测序的技术特点和原理的基础上, 重点介绍了三代测序技术在微生物16S/18S rRNA基因测序、单菌的基因组组装以及宏基因组中的研究应用和进展。     

人类肠道微生物组与相关疾病研究进展

人体肠道共生着数以万亿计的微生物,肠道微生物在维持宿主正常生理功能中发挥重要作用,其成分和功能变化可导致严重的肠道和全身性疾病。以新一代测序技术和生物信息学分析为基础的元基因组学研究不仅极大地推动了对人类肠道微生物的整体认识,还加深了对肠道微生物代谢产物促进人类健康机理的理解,为肠道炎症、代谢性疾病和癌症等人类疾病的诊断与治疗提供了新思路。就肠道微生物元基因组学与肠道相关疾病的研究进展作一综述。     

瘤胃微生物在有机废物处理中的应用研究

综述了瘤胃微生物在处理农业残余废物、城市有机垃圾和一些有毒物质方面的研究情况,并对影响其降解的环境条件、工艺条件和反应促进因素做了介绍,认为结合现代厌氧消化技术和瘤胃发酵技术,瘤胃微生物可以在有机废物处理中发挥较大作用.     

A patent landscape on application of microorganisms in construction industry

Construction biotechnology includes research and development of construction materials and processes that make use of various microbes. The present technology landscape gives a perspective on how microbes have been used in construction industry as cement and concrete additives by analyzing patents filed in this technology arena. All patents related to the technology of interest published globally to date have been reviewed. The earliest patent filing in this technology domain was recorded in the year 1958 and the patenting activity reached its peak around mid to late 1990s. The early technology was mainly focused on microbial polysaccharides and other metabolic products as additives. Year 2002 onwards, biomineralization has taken precedence over the other technologies with consistent patent filings indicating a shift in innovation focus. Japan has been the global leader with highest number of patents filed on application of microbes in construction industry. Southeast University, China has topped the patent assignee list with maximum number of filings followed by Kajima Corp. and Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Most patent applications have claimed microbe based bio-products. Construction-related microbial technologies are mainly based on activity of different microorganisms such as urease-producing, acidogenic, halophilic, alkaliphilic, nitrate and iron-reducing bacteria. Sporosarcina pasteurii has been the most widely used microbe for biomineralization.     

Isolation of Novel Afipia septicemium and Identification of Previously Unknown Bacteria Bradyrhizobium sp. OHSU_III from Blood of Patients with Poorly Defined Illnesses

Cultures previously set up for isolation of mycoplasmal agents from blood of patients with poorly-defined illnesses, although not yielding positive results, were cryopreserved because of suspicion of having low numbers of unknown microbes living in an inactive state in the broth. We re-initiated a set of 3 cultures for analysis of the "uncultivable" or poorly-grown microbes using NGS technology. Broth of cultures from 3 blood samples, submitted from OHSU between 2000 and 2004, were inoculated into culture flasks containing fresh modified SP4 medium and kept at room temperature (RT), 30°C and 35°C. The cultures showing evidence of microbial growth were expanded and subjected to DNA analysis by genomic sequencing using Illumina MiSeq. Two of the 3 re-initiated blood cultures kept at RT after 7–8 weeks showed evidence of microbial growth that gradually reached into a cell density with detectable turbidity. The microbes in the broth when streaked on SP4 agar plates produced microscopic colonies in ∼ 2 weeks. Genomic studies revealed that the microbes isolated from the 2 blood cultures were a novel Afipia species, tentatively named Afipia septicemium. Microbes in the 3^rd culture (OHSU_III) kept at RT had a limited level of growth and could not reach a plateau with high cell density. Genomic sequencing identified the microbe in the culture as a previously unknown species of Bradyrhizobium bacteria. This study reports on the isolation of novel Afipia and Bradyrhizobium species. Isolation of Bradyrhizobium species bacteria has never been reported in humans. The study also reveals a previously unrecognized nature of hematogenous infections by the 2 unique groups of Bradyrhizobiaceae. Our studies show that improvement of culture system plus effective use of NGS technology can facilitate findings of infections by unusual microbes in patients having poorly-defined, sometimes mysterious illnesses.