宏基因组学结合合成生物学法挖掘新型生物催化剂的研究进展

生物催化剂是具有催化活性的细胞和酶的统称,因其高效和环境友好的特性被广泛应用于工业、农业、医药和能源等领域。传统的生物催化剂挖掘技术依赖于生物分离及体外培养,在一定程度上阻碍了生物催化剂的发展。宏基因组学挖掘新型生物催化剂通过直接从环境样品中提取全部微生物的DNA,构建宏基因组文库,再基于功能活性和序列分析筛选新型生物催化剂,避免了微生物的分离培养。合成生物学是利用工程学原理,通过元件的设计,组合和系统的构建对生物途径、有机体或生物系统进行重新设计。综述了宏基因组学方法挖掘新型生物催化剂的最新研究进展,并对利用合成生物学方法改进宏基因组筛选新型生物催化剂的效率进行了讨论,以期提高挖掘新型生物催化剂的效率。     

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。     

病毒宏基因组学研究进展

病毒宏基因组学是一种新的病毒组学研究手段,随着高通量测序技术的飞速发展,人们能够从环境中快速发现、鉴定病毒基因组的组成并研究其特征。在过去的十年里,研究者们运用病毒宏基因组学发现了许多新型病毒,增强了人们对不同环境中病毒组成、分布和多样性的了解。因此,病毒宏基因组学已成为清晰描绘各种特殊环境中病毒图谱、了解自然界中病毒分布动态的有效工具。本文主要从病毒宏基因组的概念、样品前处理和病毒总基因组提取方法、测序技术以及病毒宏基因组的应用和发展前景方面进行概述。     

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。     

基于宏基因组学方法挖掘新型α-L-鼠李糖苷酶资源

α-L-鼠李糖苷酶是特异性切割末端含α-L-鼠李糖的天然化合物的一类糖苷水解酶,该酶在食品、医药、化学等行业都有广泛的应用。本研究旨在利用保守氨基酸基序结合PCR驱动的宏基因组学方法,从提取的健康人体粪便宏基因组DNA中获得新型细菌源α-L-鼠李糖苷酶基因。通过对CAZy数据库GH78家族中193条细菌源α-L-鼠李糖苷酶氨基酸序列进行多重序列比对,首次将α-L-鼠李糖苷酶家族分为3个亚家族,并确定了其中两个亚家族的两对保守氨基酸基序。基于保守基序氨基酸序列设计简并引物,PCR扩增保守基序间基因片段,对PCR产物克隆测序,结果获得12条α-L-鼠李糖苷酶基因片段,对其编码的氨基酸序列在Gen Bank数据库进行Blast序列比对,其中两条基因片段的氨基酸序列一致性仅为52%,一条为73%,其余9条在94%以上。根据Gen Bank数据库中序列一致性94%以上片段对应全长基因序列设计上下游引物,以人体粪便宏基因组DNA为模板,扩增获得3条α-L-鼠李糖苷酶全长基因,并将其克隆于载体p ET-28a,在E.coli BL21(DE3)内进行异源表达,目的蛋白多以包涵体形式存在于沉淀中,少量以可溶性形式存在于上清中。人体肠道细菌宏基因组为新型α-L-鼠李糖苷酶基因发现提供了潜在的基因资源库,基于保守氨基酸基序驱动的宏基因组学方法,从人体肠道以及环境宏基因组中直接获取新酶基因是可行的。     

基于功能宏基因组学挖掘抗生素耐药基因研究进展北大核心CSCD

随着各类抗生素被广泛用于治疗细菌感染以及抗生素在临床上的大量使用,驱动了各类抗生素耐药基因的不断进化,导致了耐药问题日趋严重。耐药基因与耐药细菌的广泛传播与普遍流行严重威胁公共卫生体系并引起了巨大的经济损失。值得注意的是,抗生素的广泛施用不仅造成了动物体内耐药细菌的产生,还提高了对环境中微生物的选择压力,间接推动了耐药基因的发展与进化,使环境微生物成为耐药基因新的储库。因此对耐药细菌的广泛监测与新型耐药基因的提前发掘具有重要的临床意义与研究价值。但是传统的耐药性调查手段过度依赖对耐药细菌的培养,难以全面的展现固定生态位中微生物耐药性的全貌。而功能宏基因组学技术利用其表型筛选和高通量测序相结合的优势,不依赖于对携带目标基因的特定细菌的培养,因此在发掘新型功能基因方面有着巨大的优势。本文综述了功能宏基因组在抗生素耐药方面的研究进展,讨论了功能宏基因组学方法在检测新型基因研究中的意义及存在的问题,为后续深入开展对抗生素耐药机制的探究提供了坚实的理论基础。     

阴道微生态宏基因组学研究进展

女性阴道内寄居着多种微生物群落,这些微生物种群间的平衡状态与妇女阴道疾病的发生密切相关。鉴定女性阴道菌群结构多样性的特征,有助于了解其在阴道疾病发生和转归中所发挥的作用。目前基于16S rRNA的聚合酶链式反应（PCR）及宏基因组相关技术在微生物群落研究中被广泛运用,这不仅可以帮助人们最大程度地获得阴道菌群的宏基因组信息,还可有效弥补单纯微生物培养法所产生的实验数据不充足等弊端。本文对阴道微生物菌群多样性的研究中应用的宏基因组学技术如基因测序、变性/温度梯度凝胶电泳（DGGE/TGGE）、分子克隆、末端限制性酶切长度多态性（T-RFLP）等进行综述。     

基于宏基因组学方法挖掘新型α-L-鼠李糖苷酶资源北大核心CSCD

α-L-鼠李糖苷酶是特异性切割末端含α-L-鼠李糖的天然化合物的一类糖苷水解酶,该酶在食品、医药、化学等行业都有广泛的应用。本研究旨在利用保守氨基酸基序结合PCR驱动的宏基因组学方法,从提取的健康人体粪便宏基因组DNA中获得新型细菌源α-L-鼠李糖苷酶基因。通过对CAZy数据库GH78家族中193条细菌源α-L-鼠李糖苷酶氨基酸序列进行多重序列比对,首次将α-L-鼠李糖苷酶家族分为3个亚家族,并确定了其中两个亚家族的两对保守氨基酸基序。基于保守基序氨基酸序列设计简并引物,PCR扩增保守基序间基因片段,对PCR产物克隆测序,结果获得12条α-L-鼠李糖苷酶基因片段,对其编码的氨基酸序列在Gen Bank数据库进行Blast序列比对,其中两条基因片段的氨基酸序列一致性仅为52%,一条为73%,其余9条在94%以上。根据Gen Bank数据库中序列一致性94%以上片段对应全长基因序列设计上下游引物,以人体粪便宏基因组DNA为模板,扩增获得3条α-L-鼠李糖苷酶全长基因,并将其克隆于载体p ET-28a,在E.coli BL21(DE3)内进行异源表达,目的蛋白多以包涵体形式存在于沉淀中,少量以可溶性形式存在于上清中。人体肠道细菌宏基因组为新型α-L-鼠李糖苷酶基因发现提供了潜在的基因资源库,基于保守氨基酸基序驱动的宏基因组学方法,从人体肠道以及环境宏基因组中直接获取新酶基因是可行的。     

宏基因组学应用于口腔念珠菌病诊疗的研究进展

近年来,随着抗菌药物的不断更新换代,口腔念珠菌病患者逐年增加。口腔念珠菌病患者口腔内的微生物群也趋于多样化,相互作用机制复杂。传统的微生物学研究主要应用分离培养、克隆、荧光原位杂交和分子标记等方法,由于技术的限制仍有约30%的口腔微生物群无法或难以通过传统方法培养,而宏基因组学技术恰好弥补了这方面的不足,使我们能更深入地探索口腔念珠菌病患者口腔微生物群的多样性、结构和功能。本综述旨在总结、归纳宏基因组学应用于口腔念珠菌病诊疗的研究进展,并阐明其重要意义。

     

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。     

宏基因组学--研究微生物的新策略

2004年7月美国国立卫生研究院牙科与颌面研究中心（NIDCR）专门征集“利用宏基因组学研究口腔微生物”的研究申请书,征集通知中明确其目的是利用宏基因组学（Metagenomic）的技术,研究口腔中微生物群落,以阐明微生物在人类口腔健康和疾病中的作用.     

肠道微生物功能宏基因组学与代谢组学关联分析方法研究进展

近年来基于高通量基因测序的微生物组学研究极大加深了人们对微生物与健康和疾病关系的认识。然而基因测序方法不能直接测定微生物的功能活性,难以鉴定微生物中的关键功能分子,单独使用无法回答肠道微生物何种成员通过何种方式影响宿主等关键科学问题。单一组学研究弊端尽显,多组学联用势在必行。肠道微生物代谢组学以微生物群落所有小分子代谢物为研究对象,可发现肠道微生物随宿主病理生理变化的关键代谢物,为微生物组-宿主互作机制研究提供线索,成为微生物组学研究的重要补充。肠道微生物功能基因组学与代谢组学关联分析在宿主生理、疾病病理、药物药理等方面取得众多进展,展现良好应用前景。然而目前肠道微生物功能基因组学与代谢组学关联分析存在方法滥用、相关性结论与生物学知识相悖等突出问题。为帮助正确应用肠道微生物功能宏基因组学与代谢组学关联分析,本文综述了各种多组学数据整合分析方法的原理、优缺点与适用范围,并给出了应用建议。     

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。     

生物催化剂在手性药物合成中的应用

基因表达及功能分析需要高通量的表达系统,因而简单、经济且高效地将PCR产物或其他来源的目的基因片段构建到质粒载体中就成为了亟需解决的问题.传统克隆方法使用限制性内切酶和连接酶,其缺点是受到基因序列中原有的酶切位点的限制以及依赖连接酶导致的较低的连接转化率.为了克服这些缺点,一些不需要限制酶和连接酶的克隆方法被开发出来并运用到基因克隆中,获得了更佳的实验结果.该文就LIC、UDG克隆和Gateway重组克隆这三种不依赖连接反应的高通量克隆方法的原理及特性进行介绍.     

生物催化剂发现与改造的研究进展

生物催化是指将酶或生物有机体用于有用的化学转化的过程,在人们对传统化学催化的环境影响抱有忧虑的情况下,生物催化提供了一种有吸引力的选择。在过去的几十年里,对生物催化剂的研究每出现一次大的进步,生物催化的发展就会出现一次高潮。因此,生物催化剂的发现与改造已成为当今研究的热点。宏基因组文库技术的出现克服了许多微生物不可培养的障碍,人们能够从自然资源中获得丰富的潜在的生物催化剂。而基于理性设计的分子改造技术的发展,可以使得人们对潜在的生物催化剂进行快速而有效的改造以满足工业化生产的需求。随着生物催化剂发现与改造的手段不断进步,更多的优良生物催化剂得到了广泛的应用,生物催化在工业生产中也得到了更深入的应用。结合作者的研究工作,总结了生物催化剂发现与改良的一些研究进展,以为获得更多优良的、能够实现工业应用的生物催化剂奠定理论基础。     

营养基因组学的研究进展

营养学是一门古老的学科, 为人们的健康保护和疾病预防提供了重要的理论指导。随着分子生物学技术的发展, 它已成为21世纪生命科学研究最为主要的技术之一。分子生物学与营养学的结合, 产生了分子营养学。而基因组学与营养学的结合, 则形成了营养基因组学。营养基因组学涵盖了一个广泛的领域, 它研究营养素和基因表达的相互影响, 预测其对营养素的反应。基因组学技术可以帮助确认一些与疾病发生有关的基因, 人们可以根据各自的基因图谱制定一份个性化的饮食方案, 以此防病治病, 使人们的健康状况通过调整饮食来达到最佳。文中重点介绍了营养基因组学的主要研究方法及其应用。     

环境基因组学的研究进展

本文系统地介绍了环境基因组学的基本概念和主流技术平台,及其在环境污染控制、健康风险检测与评价等方面地应用．并阐释了环境基因组学与环境蛋白组学、生物信息学之间的关系。环境基因组学在生物基因组水平上揭示了环境污染物与生物之间的相互作用,为维护人体与环境健康,进行分子水平遗传物质的检测与调控。奠定了理论基础与技术支持,目前已经成为控制环境污染,提高人体与环境健康质量的重要议题。     

宏基因组学的研究方法进展及应用概述

宏基因组学是以某一特定环境样品中的微生物群体基因组为研究对象,通过提取DNA、构建文库、文库筛选等基本流程来研究微生物多样性、进化关系以及寻找新基因等为研究目的的新的微生物学研究方法,其总体流程包括环境样品总DNA提取、宏基因组文库构建、宏基因组文库筛选三个阶段。宏基因组学做为一个崭新的技术在微生物生态学、生物酶制剂开发以及医学等方面都取得了可喜的成绩。本文将就宏基因组学的概念、技术流程和应用三个方面作简单介绍。     

营养基因组学的研究进展

伴随着基因组学、生物信息学等的迅猛发展及其在生命科学领域的应用,营养基因组学应运而生,并迅速成为营养学研究的新前沿。营养基因组学主要研究营养素和植物化学物质对人体基因的转录、翻译表达以及代谢机制,其可能的应用范围包括营养素作用的分子机制、营养素的人体需要量、个体食谱的制定以及食品安全等。本文重点介绍营养基因组学的研究内容与现状,并对今后的研究趋势作了展望。