功能宏基因组学在新型抗生素耐药基因研究中的应用进展

抗生素耐药性是二十一世纪人类面对的最严峻的环境健康问题之一.抗生素耐药基因(Antibiotics resistance genes, ARGs)被认为是一类新型环境污染物.当前针对ARGs的主要研究方法有细菌分离和培养法、聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)法、和宏基因组法.然而,仅有功能宏基因组方法能发现新型的ARGs.功能宏基因组方法利用新一代测序技术的高通量的特性,结合分子生物学技术和功能筛选构建有关抗生素耐药性的基因库,通过生物信息学分析高效地发现新型ARGs.本文综述了近来利用功能宏基因组技术筛选新型ARGs的相关研究进展,总结了功能宏基因学相关的技术和方法的优势和限制,并展望了功能宏基因学方法进一步发展的方向.     

基于序列筛选发掘宏基因组文库中的新颖卤化酶基因

绝大部分微生物的不可培养性使微生物的开发利用受到了限制,而宏基因组学策略为研究土壤中的不可培养微生物提供了途径.天然卤化物具有抗菌活性和抗肿瘤活性等生物活性,卤化酶在催化化合物的卤化过程中,对化合物活性产生重要影响,而以卤化酶基因为探针,可以发现与之偶联的天然生物合成基因簇,为卤化物的发现提供基础.利用卤化酶基因序列的保守区域设计简并引物,筛选土壤宏基因组文库获得卤化酶阳性克隆,并对获得的卤化酶基因间的进化及其与天然产物合成的关系进行分析.结果显示:通过同源序列筛选获得了65个卤化酶阳性克隆,序列同源分析表明约85%的阳性克隆中的卤化酶基因序列与已知卤化酶的相似性低,所获卤化酶基因具有较好的新颖性和多样性.而对所获克隆中生物合成相关基因的分析表明其中一个克隆中同时存在聚酮合酶基因与卤化酶基因,其可能与卤代I型聚酮合成相关.本研究基于序列筛选的方法,从宏基因组文库中发现了新的卤化酶基因和聚酮合酶基因,为进一步发现新颖的天然卤化物生物合成基因簇及天然卤化物奠定了基础.     

基于宏基因组技术获得的对厌氧氨氧化菌代谢的新理解

厌氧氨氧化菌(Anaerobic ammonium oxidation bacteria,AAOB)是化能自养菌,由于其生理代谢的奇异性、细胞结构的特殊性以及对氮素循环的重要性,已成为环境工程、微生物以及海洋生物学等领域的研究热点.然而,AAOB未能实现纯培养的现状已成为AAOB代谢途径研究的巨大障碍.近年来兴起的宏基因组技术(Metagenomics)为AAOB代谢途径的研究提供了新手段.采用宏基因组技术,可直接研究微生物群体中某特定微生物基因组的结构与功能,摆脱了传统微生物学研究对纯培养的依赖,使未培养微生物的认识和开发成为可能.本文首先简述获取AAOB宏基因组信息的过程,然后通过比较由传统代谢研究方法和宏基因组技术获得的AAOB代谢途径的研究成果,论述基于宏基因组技术获得的对AAOB代谢的新理解,得出以下结果和结论:1)AAOB的碳素固定途径为乙酰辅酶A途径,碳素固定的还原力来自NADH或者QH2;2)AAOB氮素转化的重要中间产物是NO,而非NH2OH,并提出了以NO为核心的AAOB代谢的改进模型;3)AAOB的ATP合成途径为氧化磷酸化,推测的电子传递途径为N2H4—QH2—细胞色素bc1复合体;细胞色素bc1复合体再将电子用于NO2-还原和N2H4合成.AAOB的宏基因组技术使AAOB代谢途径的研究更具方向性.随着分子生物学理论和技术的不断发展,宏基因组学的升级技术(如宏转录组学、宏蛋白质组学)将为AAOB代谢途径的研究提供新的方法与平台.图3表1参51     

海洋微生物来源的天然产物开发研究进展

综述了近年来海洋微生物来源天然产物研究的新进展,总结了该类天然产物的开发策略.通过对样品采用不同的预处理方式、不同的分离培养基以及新的培养方法,讨论如何获得海洋来源的特有微生物和增加海洋来源微生物类群的多样性.阐述了在海洋微生物天然产物的开发过程中,采用宏基因组技术及基因组测序等手段,来发现难培养或不可培养微生物中的天然产物以及处于"沉默"状态的天然产物.最后介绍了异源生物合成、组合生物合成以及核糖体工程等技术在海洋微生物天然产物开发和改造中的应用,并举例论述了海洋微生物天然产物的开发.     

细菌芳烃外二醇双加氧酶研究进展

外二醇双加氧酶(EDOs)是一种多功能细菌芳烃开环氧化酶,在环境保护、化工合成及生物技术等领域中有着巨大的应用潜力.本文综述了EDOs自开发以来的研究成果,包括分类学研究,酶的催化机制,在生物降解、生物合成、生物技术中的应用及其开发改造新技术.EDOs属于3个进化关系相互独立的酶家族,它们利用活性位点金属离子Fe/Mn(II)与底物和氧气结合,通过形成一种烷基过氧化中间产物,使芳香化合物开环断裂.利用这一催化机制,EDOs可以广泛地降解多种环境污染物,同时,某些EDOs还能够参与生物活性物质的合成,并且在生物传感器等生物技术中也有着广泛的应用.近年来,结合宏基因组、杂交酶等技术手段,研究人员开发改造出更多的EDOs资源,旨在为EDOs的深入研究提供更全面的信息.     

石油烃降解酶及其基因的结构、功能和表达调控

研究烃降解酶及其基因是进行石油微生物分子检测和工程菌构建的重要基础.本文对目前烃降解酶及其基因的结构、功能和调控机制的最新研究进展进行了总结.催化烷烃好氧降解的起始酶有几类加氧酶,膜整合甲烷单加氧酶、萘-1,2-双加氧酶和异丙苯双加氧酶的晶体结构已经被解析.烷基或芳基琥珀酸合酶催化烃厌氧代谢的主要起始反应,而Azoarcus sp.乙苯厌氧代谢起始反应由乙苯脱氢酶催化.在细菌中,烃代谢相关基因主要通过形成操纵子进行表达调控,基因转录受烃或类似物诱导,并受细胞全局调控.一些微生物由于存在多种烃代谢途径而可能具有复杂的基因调控机制.此外,生态学研究表明,环境中烃降解基因的诱导动态与实验室内纯培养分析不同.在分析石油降解工程菌构建有待解决问题的基础上,提出了烃代谢综合调控和环境中相关酶及基因诱导研究的重要性,并对未来烃降解酶及其基因在有毒物降解理论研究和生物修复上的应用进行了展望.     

蔗糖富集环境土壤微生物宏基因组分析及蔗糖水解相关酶基因克隆

蔗糖水解酶是蔗糖转化生成生物质能源的关键酶,且还具有重要的转糖苷功能.针对蔗糖富集的土壤环境,利用未培养的宏基因组技术对蔗糖水解相关的酶基因进行克隆.首先使用微生态分子技术对蔗糖富集的土壤样品进行分析,在可信区间为95%的情况下,样品覆盖率为20%(C指数为0.2),Species richness指数为235.0,Shannon index为5.2889,说明这个蔗糖富集样品中的微生物来源具有广泛性.然后使用宏基因组技术构建这个土壤样品中微生物的DNA文库,成功构建一个包含约100000个克隆的大片段DNA Fosmid文库.对文库中的Fosmid质粒进行随机测序,发现质粒的外源DNA与已报道的DNA都没有同源性,文库所克隆的DNA都来源于仍没有被研究的微生物.使用蔗糖作为唯一碳源对文库进行筛选,获得了能水解蔗糖的克隆.在蔗糖水解能力最强的两个克隆中所包含的蔗糖水解酶与GenBank数据库中已知蔗糖酶的相似性分别为38%和68%.     

土壤宏基因组文库中纤维素酶的筛选与鉴定

纤维素酶是最重要的工业用酶之一,已广泛应用于食品、纺织、造纸、洗涤和生物燃料生产等多个领域中.为挖掘微生物来源的纤维素酶,基于功能宏基因组学的方法,筛选云南土壤宏基因组文库获得具有纤维素酶活性的阳性克隆;通过构建亚克隆和测序分析确定纤维素酶的编码基因,将其克隆到表达载体上并转化到大肠杆菌中构建重组表达系统,诱导蛋白表达后对纤维素酶酶学性质进行分析.通过筛选约65万个文库克隆,获得一个有纤维素酶水解活性的克隆,预测该纤维素酶基因全长为1 419 bp,编码蛋白分子量(Mr)为50.99×103,蛋白的氨基酸序列与Rhizobacter sp.S-16中的内切葡聚糖酶有88.66%的相似性,蛋白同源比对结果表明该酶属于糖苷水解酶第五家族(GH5),将其命名为YNEG5;对YNEG5的生化特性进行分析,确定其最佳反应温度为66℃,最适pH为4.8,该酶热稳定性良好且对工业试剂尿素具有较强的耐受性.本研究基于功能宏基因组学技术获得一个具有工业应用潜能的纤维素酶,可为不可培养微生物中纤维素酶的挖掘提供参考.(图10表1参36)     

西藏米拉山高寒草甸土壤微生物DNA提取及宏基因组Fosmid文库构建

青藏高原土壤中富含特殊的微生物资源,因大多数未能得到培养而无法利用.提取微生物总DNA及构建宏基因组文库的方法是研究未培养微生物的重要方法(免培养法).两藏米拉山高寒草甸土壤中腐植酸、有机质含量非常高,DNA提取非常困难,本研究表明卣接法提取该样品的DNA片段小,杂质含量高,不能满足构建大插入片段文库的要求;结合低速离心和Nycodenz密度梯度离心先分离出微生物细胞的间接法虽然DNA产率降低,但是纯度高,片段长,多样性丰富,更适合于构建大插入片段文库.在间接法提取高质量西藏高寒草甸土壤微生物DNA的基础上,成功构建了一个包含30 624个克隆、库容量超过1 Gb、稳定性好的宏基因组Fosmid文库,为从西藏高原土壤中挖掘和利用新的功能基因研究奠定了基础.图7表3参27     

宏基因组技术及其在环境保护和污染修复中的应用

宏基因组学是分子生物学技术应用于微生物生态学研究而形成的一个新概念,以环境中末培养微生物为研究对象,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,利用基因组学策略研究环境样品所包含的全部微生物的遗传组成及其群落功能.从1998年提出至今,该项技术已经广泛应用于工业、农业、医学等研究领域.文章在对宏基因组学的概念、研究方法、存在问题的综述基础上提出了相应的解决方法,并指出该技术在环境保护和污染修复中存在潜在的应用价值.利用该技术可以深入了解特定环境中微生物空间分布和动态变化,为环境监测、预警和评价提供理论依据.