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。     

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。     

土壤微生物中新型β-葡萄糖苷酶的挖掘与鉴定

【背景】通过培养微生物来获得新β-葡萄糖苷酶因只有少部分微生物可以被培养而受到限制,但宏基因组学技术可以挖掘非培养微生物来源的β-葡萄糖苷酶资源。【目的】利用宏基因组学技术挖掘土壤微生物来源的新型β-葡萄糖苷酶,并对其酶学性质进行初步分析。【方法】构建土壤微生物的宏基因组文库,利用七叶苷平板显色法对所构建的文库进行筛选获得阳性克隆,并对阳性克隆所含的β-葡萄糖苷酶基因进行异源表达和生物化学特性分析。【结果】通过筛选文库中的62万个克隆,获得一个具有β-葡萄糖苷酶活性的克隆,其插入片段中包含一个2 301 bp的ORF(YNBG3),蛋白同源性分析显示其属于β-葡萄糖苷酶第三家族。对YNBG3酶的生化分析确定其最佳反应温度为53°C,最适p H为5.2,有较好的热稳定性,对一定浓度范围内的DMSO、丙酮、乙醇等有机试剂有较好的耐受性,EDTA和尿素可增加该酶的活性。【结论】利用宏基因组学技术获得了一个有较好热稳定性及耐受一定浓度有机试剂和尿素的新β-葡萄糖苷酶。     

土壤宏基因组文库来源酯酶的鉴定与表征

【目的】利用宏基因组学技术挖掘土壤微生物来源的新型酯酶。【方法】构建土壤微生物宏基因组文库,利用三丁酸甘油酯平板法对所构建的文库进行筛选,并对阳性克隆中鉴定出的酯酶基因进行异源表达和生物化学特性分析。【结果】通过筛选文库中的12万个克隆,获得了一个阳性克隆,对克隆中的DNA片段进行序列分析,发现了一个可能的酯酶基因,通过研究其表达产物,确定其最适pH为9.0,最适反应温度为56°C,在90°C下仍可保持20%的酶活性;能专一性水解短链脂类,对长链脂类无水解作用;对一定浓度范围内的有机试剂如二甲基亚砜、甲醇、乙醇有较好的耐受性,尤其当二甲基亚砜含量为10%(体积比)时,相对酶活可提高44%。【结论】不依赖于微生物可培养性的宏基因组学技术可以发现新的活性酶,本研究获得的对高温、有机试剂有较好耐受性的酯酶ESTYN1具有在工业生产中应用的潜力。     

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。     

宏基因组学在纤维素酶研究中的应用进展

纤维素酶能降解纤维素,被广泛应用于生物修复、食品加工、化工合成等领域,开发高活力、广底物、耐高温高碱等极端条件的新型纤维素酶具有重要意义。宏基因组学以特定环境样品中微生物的基因组总和为研究对象,避开传统的微生物分离培养过程,为基因资源的开发、利用提供了新技术。文中结合本课题组的研究工作,综述了利用宏基因组学获取纤维素酶的策略,同时着重介绍利用宏基因组学从动物胃肠道、土壤等环境中获取纤维素酶的研究。     

Metagenomics-based drug discovery and marine microbial diversity

As the global threat of drug-resistant pathogens continues to rise, new strategies and resources are required to accelerate and advance the drug discovery process. We believe that rapid progress in metagenomics has opened up a new era in the study of marine microbial diversity that enables direct access to the genomes of numerous uncultivable microorganisms. This review outlines recent developments and future trends in metagenomics-based drug discovery in marine microbial communities and their associated chemical prosperity.     

基于宏组学方法认识微生物群落及其功能

进入后基因组学时代,测序技术飞速发展,测序成本明显下降,形成了涵盖宏基因组学、宏转录组学和宏蛋白质组学的宏组学技术,推动了对微生物群落的多样性、结构及潜在基因功能方面的深入研究。最近随着整合的宏组学技术的提出及应用,全面系统分析微生物群落动态变化及其代谢功能已成为可能,这将成为微生物生态学研究的新趋势。本文综述了宏组学在研究海洋湖泊、深海热泉、人体肠道、牛瘤胃生境、森林土壤与堆肥生境等环境中微生物群落的结构和功能方面的最新进展与成功应用案例。     

A Primer on Metagenomics

Metagenomics is a discipline that enables the genomic study of uncultured microorganisms. Faster, cheaper sequencing technologies and the ability to sequence uncultured microbes sampled directly from their habitats are expanding and transforming our view of the microbial world. Distilling meaningful information from the millions of new genomic sequences presents a serious challenge to bioinformaticians. In cultured microbes, the genomic data come from a single clone, making sequence assembly and annotation tractable. In metagenomics, the data come from heterogeneous microbial communities, sometimes containing more than 10,000 species, with the sequence data being noisy and partial. From sampling, to assembly, to gene calling and function prediction, bioinformatics faces new demands in interpreting voluminous, noisy, and often partial sequence data. Although metagenomics is a relative newcomer to science, the past few years have seen an explosion in computational methods applied to metagenomic-based research. It is therefore not within the scope of this article to provide an exhaustive review. Rather, we provide here a concise yet comprehensive introduction to the current computational requirements presented by metagenomics, and review the recent progress made. We also note whether there is software that implements any of the methods presented here, and briefly review its utility. Nevertheless, it would be useful if readers of this article would avail themselves of the comment section provided by this journal, and relate their own experiences. Finally, the last section of this article provides a few representative studies illustrating different facets of recent scientific discoveries made using metagenomics.     

未培养微生物的研究与微生物分子生态学的发展*

近年来现代分子技术和基因组学逐渐渗透到有关生命科学的整个领域,也为微生物生态学提供了新的研究方法和机遇。16S rRNA基因序列分析、DNA-DNA杂交、核酸指纹图谱以及宏基因组学等分子技术检查自然环境中的微生物,可以克服传统纯培养技术的不足,是一条探知未培养微生物、寻找新基因及其产物的新途径,开启了我们认识微生物多样性和获得新资源的大门。