宏基因组克隆--微生物活性物质筛选的新途径

在现有技术条件下自然界存在的微生物95％以上未能培养,采用传统的分离培养筛选的途径寻找新的微生物生物活性物质受到局限;宏基因组是特定小生境中全部微小生物遗传物质的总和,直接抽提环境样品中的总DNA,利用适宜的载体克隆到替代宿主细胞中构建宏基因组文库,通过外源基因赋予宿主细胞的新性状或基于某些已知DNA序列筛选,寻找新的生物活性物质或基因,极大地扩展了微生物资源的利用空间,增加了获得新的生物活性物质的机会。     

宏基因组克隆——微生物活性物质筛选的新途径*

在现有技术条件下自然界存在的微生物95%以上未能培养,采用传统的分离培养筛选的途径寻找新的微生物生物活性物质受到局限;宏基因组是特定小生境中全部微小生物遗传物质的总和,直接抽提环境样品中的总DNA,利用适宜的载体克隆到替代宿主细胞中构建宏基因组文库,通过外源基因赋予宿主细胞的新性状或基于某些已知DNA序列筛选,寻找新的生物活性物质或基因,极大地扩展了微生物资源的利用空间,增加了获得新的生物活性物质的机会。     

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--生物催化剂的新来源

生物催化剂是工业生物催化的重要组成部分,宏基因组是生物催化剂的新来源。该文介绍了从宏基因组中寻找生物催化剂的主要步骤,着重描述了DNA的分离和目标克隆的筛选这两个关键技术,并列举了利用宏基因组技术所获得的生物催化剂．     

宏基因组学研究进展

不可培养微生物占据微生物总数的99%以上, 这己成为微生物资源开发利用的一个限制性因素。宏基因组学是通过提取某一环境中的所有微生物基因组DNA、构建基因组文库及对文库进行筛选寻找和发现新的功能基因及活性代谢产物的一种方法。它避开了微生物分离培养的过程, 极大地扩展了微生物资源的利用空间, 是现代基因工程一个新的发展方向和研究热点。本文主要对宏基因组的DNA提取方法、文库的构建、筛选策略的选择及近年来宏基因组学在各领域中的应用研究现状进行了综述。     

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。     

宏基因组的生物信息分析

基于高通量测序的宏基因组学研究是近年来的研究热点之一。宏基因组的生物信息分析正在逐渐完善成熟．各种分析软件和流程的开发与应用,极大地促进了宏基因组研究的发展,特别是在遗传与进化、基因发现、宏基因组和人类疾病的相关研究等方面取得了显著成果。本文旨在结合宏基因组学的研究内容和研究方向,对宏基因组的生物信息分析方法进行综述,探讨宏基因组的生物信息分析面临的机遇和挑战。     

人体肠道宏基因组生物信息分析方法

最近5年来,微生物组与人体健康之间的微妙关系已成为全球研究热点,特别是基于高通量测序的宏基因组技术推动了这个领域的发展。然而宏基因组生物信息学分析往往是开展研究过程中的难点。本文对宏基因组生物信息常规分析方法进行了介绍。     

从甘油富集菌宏基因组中克隆甘油脱水酶基因

采用一种简便快速的方法从经甘油富集培养的土样中提取出质量较好宏基因组DNA。然后以此DNA为模板,以扩增肺炎克雷伯氏菌、弗氏柠檬酸菌和丁酸梭菌甘油脱水酶基因的引物进行PCR,分别扩增出目的条带,并将其克隆至T载体中。进行测序分析显示,PCR扩增出来的片段与其引物相应的甘油脱水酶序列同源性分别达到99％,90％和99％。这表明克隆出来的这3个基因为相应的甘油脱水酶基因。     

宏基因组学技术在酶开发方面的应用

宏基因组技术是近些年发展起来的生物新技术。其针对环境样本中的全部微生物基因组DNA开展研究,可以覆盖过去无法研究的不可培养微生物,极大地拓宽了研究的广度,因而,一经提出就得到广泛应用,并取得丰富成果。本文主要针对宏基因组技术在酶开发方面的有关应用进行综述。     

堆肥宏基因组柯斯质粒文库的构建和DNA提取技术的改进

堆肥环境中高浓度腐殖酸的存在阻碍了对这个环境中的未培养微生物的宏基因组研究。我们提出了一个确实可行的提取堆肥环境DNA的方法, 这个方法通过使用Sephadex G200＋酸洗PVPP层析柱与电洗脱两步纯化的方法成功地纯化堆肥环境来源的DNA, 用这个DNA成功构建了一个包含约10万个克隆的柯斯质粒文库。从这个文库中筛选到一个新的β-葡萄糖苷酶基因。针对文库低的阳性筛选率问题, 利用分子技术研究了不同的分离速度对提取到的总DNA中真核生物DNA量的影响, 以减少文库中真核生物DNA的污染。     

宏基因组测序分析东寨港红树林淤泥和水体微生物的多样性

为深入了解海南东寨港红树林生态系统微生物多样性及其在氮、磷、硫等代谢循环中的功能特点,本研究采用宏基因组测序,从物种注释与丰度、群落功能及多样性指数等角度,分析红树林淤泥和水体生境中微生物群落结构及生态功能的特异性。结果显示,在淤泥中检测到53个门、909个属的微生物类群,有3个占比超过1%的优势门类,其中变形杆菌门为83.78%,处于绝对优势,其下的12个优势属全部来自变形杆菌门;不动杆菌属是聚磷微生物的主要类群,其在淤泥中含量是水体的107.7倍,硫氧化单胞菌属、脱硫杆菌属是硫化物代谢的主要菌属,主要存在于淤泥生境当中。在水体中检测到64个门、1 522个属,包括13个优势门类、7个优势属;Nitrospinae和硝化螺旋菌门是亚硝酸盐氧化代谢的关键类群,两者在水体中占比分别是淤泥中的28.1倍和6.8倍。多样性评估得知,水体样品中的Shannon Wiener指数和Simpson指数均高于淤泥样品,两样品在属分类学单元上的Simpson指数趋近于1,表明红树林生态系统具有非常高的微生物多样性,水体生境的微生物多样性高于淤泥;亚硝酸盐的微生物代谢循环主要发生在水体生境中,微生物对磷的富集作用和硫化合物的氧化还原代谢主要发生在淤泥生境中。本研究有助于认识东寨港红树林湿地生境中的微生物资源状况,为保护红树林生态系统和开发利用其中的微生物资源提供依据。     

宏基因组学与动物病原微生物检测

宏基因组学（ metagenome）是直接从土壤、海水、人及动物胃肠道、口腔、呼吸道、皮肤等环境中获取样品DNA,利用载体将其克隆到替代宿主细胞中构建宏基因文库,以高通量检测为主要技术来研究特定环境中全部微生物的基因组及筛选活性物质和基因的新兴学科。利用宏基因组学技术不仅能够有效地检测特定环境的微生物群落结构,扩展了微生物资源的利用空间,发展了新兴的高通量检测技术,丰富了生物信息学内容。基于宏基因组学研究方法在环境微生物研究中的优势,对近年来相关领域、方法及其在人及动物病原微生物研究中的应用进行综述,以期将此方法用于实验动物病原微生物的调查分析及动物疫情、生物安全的监测。     

宏基因组技术在开拓天然产物新资源中的应用

微生物代谢产物具有巨大的化学多样性,是多种抗生素和其它药物的重要来源。由于现有培养手段的局限性,可培养的微生物不到微生物总数的1％,使绝大部分微生物资源的开发利用受到制约。近年来．直接提取环境样品中混合微生物总基因组DNA,利用可培养的宿主细菌构建宏基因组文库,通过筛选目的克隆,寻找活性代谢产物,取得瞩目进展。对这一新领域的研究进展结合我们的研究概况进行了简要综述。     

Environmental DNA as a source of a novel epoxide hydrolase reacting with aliphatic terminal epoxides

We describe a convenient method for amplification of novel epoxide hydrolase-encoding genes directly from the metagenome. In a first step, small specific regions of putative epoxide hydrolase genes were amplified by using PCR with degenerate consensus primers specific for prokaryotic epoxide hydrolases, and environmental DNA as template. In a second step, the sequence obtained from one randomly selected epoxide hydrolase gene fragment served as the starting point for genome-walking PCR. This technique enabled us to recover a complete novel epoxide hydrolase gene with a GC content of 64.7%. A database search revealed that this novel gene was 44% and 43% identical to two putative epoxide hydrolases from Ralstonia metallidurans and Ralstonia eutropha, respectively, at the amino acid level, the highest among all orthologs searched. The gene, which encodes a polypeptide with a molecular mass of 34 kDa, was cloned and overexpressed in Escherichia coli. The recombinant enzyme showed hydrolyzing activity toward aliphatic terminal epoxides with chain lengths ranging from 6 to 10 carbon atoms. In all cases, the enantioselectivity of the enzyme was low. Determination of the regioselectivity coefficients α_R and α_S revealed that the oxirane ring was attacked almost exclusively at the non-substituted carbon of the R-epoxide. The preference for attack at the non-substituted ring carbon of the S-epoxide was dependent on the chain length of the substrate and ranged from 55% to 78%, resulting in a partially enantioconvergent reaction.     

Characterization and its Potential Application of Two Esterases Derived from the Arctic Sediment Metagenome

Two esterase genes (designated as estAT1 and estAT11, respectively) were cloned by activity-based screening of a fosmid library constructed with seashore sediment sample of the Arctic. The sequence analysis of the genes revealed that these esterase genes encoded proteins of 303 and 312 amino acids, respectively, and showed 40-50% identities to members of the hormone-sensitive lipase (HSL) family retaining a catalytic triad with a conserved GDSAG sequence and an oxyanion hole (HGGG). The esterases genes were overexpressed in Escherichia coli by co-expressing GroEL-GroES chaperonine, and the recombinant proteins (rEstAT1 and rEstAT11) were purified to homogeneity. The purified EstAT1 and EstAT11 were active in a broad range of temperature from 20 to 40 degrees C with an optimum temperature at 30 degrees C. The activation energies of rEstAT1 and rEstAT11 to hydrolyze p-nitrophenyl esters of butyrate were determined to be 12.65 kcal/mol and 11.26 kcal/mol, respectively, indicating that they are cold-adapted esterases. The purified EstAT1 and EstAT11 could hydrolyze racemic ofloxacin esters, and further rEstAT11 hydrolyzed preferentially (S)-racemic ofloxacin butyl ester with an enantiomeric excess (ee(p)) value of 70.3%. This work represents an example that develops enzymes from the Arctic using metagenomic approach, potentially applicable to chiral resolution of heat-labile substrates.     

Cloning,Expression and Characterization of a Lipase Encoding Gene from Human Oral Metagenome

The human oral metagenomic DNA cloned into plasmid pUC19 was used to construct a DNA library in Escherichia coli. Functional screening of 40,000 metagenomic clones led to identification of a clone LIP2 that exhibited halo on tributyrin agar plate. Sequence analysis of LIP2 insert DNA revealed a 939 bp ORF (omlip1) which showed homology to lipase 1 of Acinetobacter junii SH205. The omlip1 ORF was cloned and expressed in E. coli BL21 (DE3) using pET expression system. The recombinant enzyme was purified to homogeneity and the biochemical properties were studied. The purified OMLip1 hydrolyzed p-nitrophenyl esters and triacylglycerol esters of medium and long chain fatty acids, indicating the enzyme is a true lipase. The purified protein exhibited a pH and temperature optima of 7 and 37 °C respectively. The lipase was found to be stable at pH range of 6–7 and at temperatures lower than 40 °C. Importantly, the enzyme activity was unaltered, by the presence or absence of many divalent cations. The metal ion insensitivity of OMLip1offers its potential use in industrial processes.