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。     

宏基因组学在发现新基因方面的应用

现代分子微生物生态学研究表明,自然环境中约99%的微生物不能用传统的分离培养方法获得其纯培养,使得环境微生物中的多样性基因资源难以得到充分的开发和应用.宏基因组学是近年来发展起来的,通过直接提取特定环境中全部微生物的总基因组DNA并克隆到合适的可培养微生物宿主中,来筛选目的基因的方法.它已在微生物新功能基因筛选、活性物质开发和微生物多样性研究等方面取得了显著成果.该文旨在介绍宏基因组学在新功能基因发现方面的应用概况并结合我们的研究情况,对这一崭新领域中的最近研究进展进行简要综述.     

宏基因组学:基本策略及在医学研究领域中的可能应用

宏基因组学（metagenomics）的提出是分子生物学领域的一个重要进展。在自然生境中有大量不可培养微生物的存在,无法通过培养法进行研究,而宏基因组学的策略则突破了这一束缚。宏基因组学是从生境中取得全部微生物的基因组,并进行系统研究的方法。该文介绍宏基因组学的基本情况,并着重探讨其在医学研究领域中的可能应用。     

宏基因组克隆技术

环境中约99.8%的微生物不能用常规的微生物学方法培养,这样就使得绝大部分微生物资源的开发利用受到制约,而宏基因组克隆技术的产生则克服了对不可培养微生物研究的困难。到目前为止,通过宏基因组克隆技术已经获得了许多新的抗生素和酶的基因,而且随着该技术的不断完善将会加大有用分子发现的几率和对复杂微生物群落功能的了解。     

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。     

基于宏基因组学的脂肪酶筛选

脂肪酶是解酯酶的一种,在工业生产上具有极为广泛的应用。宏基因组学是一门新兴的学科,避开了传统的微生物纯化培养的难题,极大地扩展了环境微生物资源的利用范围。本文介绍了脂肪酶结构与功能特性,概述了基于宏基因组学筛选脂肪酶的两种不同方法,并评价了各自的优点与缺陷,最后指出了这一筛选策略今后的发展前景。     

宏基因组文库技术获得聚酮化合物

聚酮化合物是一类重要的具有生物活性的次级代谢物。由于运用传统方法从自然界中直接筛选新型天然聚酮化合物的重现率很高, 近年来出现了很多开发新型聚酮化合物的新方法, 文章主要介绍通过环境宏基因组文库获得新聚酮类化合物的方法。     

海洋宏基因组学研究进展

宏基因组学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,在未培养微生物资源的开发利用上取得了突破性进展,已成为海洋等极端环境中分离与鉴定新型工业酶制剂的有效工具。综述海洋宏基因组学研究进展,以及宏基因组学领域中如新一代测序技术等,以期为从海洋环境中开发具有工业潜力和应用价值的新型生物催化剂提供参考。     

土壤宏基因组学技术及其应用

传统的基于培养的研究方法只能反映土壤中少数(0.1%～10 %)微生物的信息,而大部分微生物目前还不能培养,因而这部分微生物资源尚难以被有效地开发利用.宏基因组学是分子生物学技术应用于环境微生物生态学研究而形成的一个新概念,主要技术包括土壤DNA的提取、文库的构建和目标基因克隆的筛选.它可为揭示微生物生态功能及其分子基础提供更全面的遗传信息,并已在微生物新功能基因筛选、活性物质开发和微生物多样性研究等方面取得了显著成果.本文对土壤宏基因组学技术的方法和应用作了详细介绍.     

Metagenome microarray for screening of fosmid clones containing specific genes

A critical step in the process of metagenome analysis is to screen for clones that contain specific genes among a large number of clones. To form one of the sequence-based screening tools of a metagenome library, we designed a format of microarray [metagenome microarray (MGA)] that is arrayed with fosmid library clone DNA samples on a glass slide. We evaluated the MGA using random prime labeled fluorescent probes prepared from PCR products of the target gene and found that we could obtain specific hybridization signals only for the fosmid clone that contained the target gene. We found that the detection limit of the MGA was c. 10 ng microL(-1) of fosmid clone DNA, and that the MGA-based hybridization was quantitative within a concentration range of 10-200 ng microL(-1) of fosmid clone DNA. We used the MGA successfully to identify two fosmid clones that contained 16S rRNA genes from a fosmid library from the sediment of the East Sea, Korea. In conclusion, we have demonstrated that the MGA can be used for screening for fosmid clones containing specific genes in a metagenome library, and that this technology has potential application as a high-throughput metagenome screening tool.     

宏基因组学在新型生物催化剂开发中的研究进展

宏基因组学是基因工程发展的新方向,它为寻找和发现新的功能基因及生物催化剂提供了新的研究策略。着重论述了宏基因组学的研究方法,包括DNA的提取、文库的构建以及筛选策略的选择。同时介绍了近年来宏基因组学应用于新型生物催化剂开发中所取得的一些成果。     

Metagenomics

The total number of prokaryotic cells on earth has been estimated to be approximately 4–6 × 10³⁰, with the majority of these being uncharacterized. This diversity represents a vast genetic bounty that may be exploited for the discovery of novel genes, entire metabolic pathways and potentially valuable end‐products thereof. Metagenomics constitutes the functional and sequence‐based analysis of the collective microbial genomes (microbiome) in a particular environment or environmental niche. Herein, we review the most recent sequence‐based metagenomic analyses of some of the most microbiologically diverse locations on earth; including soil, marine water and the insect and human gut. Such studies have helped to uncover several previously unknown facts; from the true microbial diversity of extreme environments to the actual extent of symbiosis that exists in the insect and human gut. In this respect, metagenomics has and will continue to play an essential part in the new and evolving area of microbial systems biology.     

环境微生物不依赖于培养的基因组学研究及应用

微生物在生物圈中分布广泛,并且在地球物质循环中占有重要地位,但是约99﹪的微生物目前还不能通过传统的培养方法得到纯培养物（即未培养微生物）,给这些未培养微生物的研究带来很大的困难。随着分子生物学的快速发展及其在微生物研究中的广泛运用,促进了以环境中未培养微生物为研究对象的新兴学科--环境基因组学的产生和发展。在不进行相关微生物培养分离的情况下,通过从环境样品中直接提取获得所有微小生物的全部遗传物质,并构建环境基因组文库;进一步利用功能基因组学研究策略,从文库中寻找编码产生新的有生物活性产物的基因;通过对系统发育相关锚定位点基因序列分析,从而确定特定生态环境体系中未培养微生物的种类结构组成及进化地位,并最终重建该体系中微生物群体的基本物质循环模式。此外,环境基因组学也可以在对未培养微生物生理生化特性深入了解的基础上,建立发展合适的培养体系,最终获得某些特定微生物的纯培养物。本文对环境基因组的构建及相关分析研究策略的进展进行了综述;同时介绍了其在微生物分类及生态学研究的应用。     

Web Resources for Metagenomics Studies

The development of next-generation sequencing(NGS) platforms spawned an enormous volume of data. This explosion in data has unearthed new scalability challenges for existing bioinformatics tools. The analysis of metagenomic sequences using bioinformatics pipelines is complicated by the substantial complexity of these data. In this article, we review several commonly-used online tools for metagenomics data analysis with respect to their quality and detail of analysis using simulated metagenomics data. There are at least a dozen such software tools presently available in the public domain. Among them, MGRAST, IMG/M, and METAVIR are the most well-known tools according to the number of citations by peer-reviewed scientific media up to mid-2015. Here, we describe 12 online tools with respect to their web link, annotation pipelines, clustering methods, online user support, and availability of data storage. We have also done the rating for each tool to screen more potential and preferential tools and evaluated five best tools using synthetic metagenome. The article comprehensively deals with the contemporary problems and the prospects of metagenomics from a bioinformatics viewpoint.     

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。     

宏基因组学在未培养微生物研究中的应用

自然环境中约99%的微生物不能用传统的分离培养方法获得其纯培养。随着宏基因组技术的出现,人们可以对这一庞大的未知世界进行多方面的研究,包括微生物的生理、生态及其基因功能等。利用这一技术,研究者已经对地球上的许多生境进行了研究,并取得了很多新的成就。简要概述这一技术在研究未培养微生物方面的应用。     

Gene‐Centric Metagenome Analysis Reveals Gene Clusters for Carbon Monoxide Conversion and Validates Isolation of a Clostridial Acetogen for C2 Chemical Production

Syngas fermentation is largely dependent on acetogens that occur in various anaerobic environmental samples including soil, sediment, and feces. Here the authors report the metagenomic isolation of acetogens for C2 chemical production from syngas. Screening acetogens for C2 chemical production typically involves detecting the presence of the Wood‐Ljungdahl Pathway for carbon monoxide conversion. The authors collect samples from river‐bed sediments potentially having conditions suitable for carbon monoxide‐converting anaerobes, and enrich the samples under carbon monoxide selection pressure. Changes in the microbial community during the experimental procedure are investigated using both amplicon and shotgun metagenome sequencing. Combined next‐generation sequencing techniques enabl in situ tracking of the major acetogenic bacterial group and lead to the discovery of a 16 kb of gene cluster for WLP. The authors isolat an acetogenic clostridial strain from the enrichment culture (strain H21‐9). The functional activity of H21‐9 is confirmed by its high level of production of C2 chemicals from carbon monoxide (77.4 mM acetate and 2.5 mM of ethanol). This approach of incorporating experimental enrichment with metagenomic analysis can facilitate the discovery of novel strains from environmental habitats by tracking target strains during the screening process, combined with validation of their functional activity.     

宏基因组来源果胶酸裂解酶在毕赤酵母中的表达及应用

果胶酸裂解酶可用于含果胶废水的处理、纸浆漂白以及棉麻纺织品的生物精炼等。基于高通量宏基因组测序技术,从富含果胶土壤宏基因组中挖掘得到一个果胶酸裂解酶基因pela。将pela连接表达载体pPIC9转化毕赤酵母Pichia pastoris GS115。在3 L发酵罐水平,甲醇诱导10 h后,培养基中果胶酸裂解酶活力达到10.8 U/mL。重组PELA的最适温度为45℃,最适pH为9.0,在pH 7.5~11.0具有良好的稳定性。PELA的比活力为244.12 U/mg,以聚半乳糖醛酸为底物时催化反应的Km和Vmax分别为0.26 mg/mL和488.40 μmol/min·mg。EDTA及金属离子Cd2+、Zn2+、Mn2+、Cu2+、Fe3+能够高度抑制酶的活性,1 mmol/L Ca2+和2 mmol/L K+对酶活力有促进作用。将重组PELA作用于苎麻纤维4 h后,纤维质量损失率达到9.2%,苎麻纤维分散度和白度都明显提高。结果表明从宏基因组来源的果胶酸裂解酶PELA在苎麻脱胶中具有良好的应用潜力。