宏蛋白組學Metaproteomics-生物化學與分子生物學課件

1、微生物解決全球性變化microbial solutions to global change 楊拉維一 引言：了解微生物世界二：1，微生物和能源 2，微生物和環(huán)境 3，微生物和疾病了解微生物世界Understanding the microbial world微生物的作用：1，微生物體是地球上生活的生物的主要組成部分，在全球性的改變方面發(fā)揮關(guān)鍵的作用。2，微生物對三個主要的全球性問題，包括能源安全，環(huán)境方面面臨的挑戰(zhàn)和傳染疾病的解決方案。微生物體已經(jīng)被廣泛的開發(fā)用于醫(yī)藥，農(nóng)業(yè)，食品和工業(yè)上1，很大一部分小分子藥物，如青霉素和萬古霉素都來自微生物。大多數(shù)的工業(yè)酶也是從微生物中分離得到。2，微生物

2、作為一個全細胞式的催化劑被用于許多重要的化學轉(zhuǎn)化反應(yīng)。3，微生物被設(shè)計用來生產(chǎn)重組蛋白和藥物，生物燃料，氨基酸等化學品一些新的能夠快速檢測和鑒定新的微生物的方法宏基因組學（metagenomics）：又叫微生物環(huán)境基因組學，元基因組學。自然界約99%的微生物不能通過傳統(tǒng)的分離篩選途徑進行培養(yǎng)（即未培養(yǎng)微生物）,為獲得新的基因資源,更全面地認識微生物多樣性和微生物在自然環(huán)境和生物圈中的重要作用，近年來隨著分子生物學的快速發(fā)展及其在微生物研究中的廣泛運用,以環(huán)境中未培養(yǎng)微生物為研究對象的新興學科可利用環(huán)境微生物基因組技術(shù)進行土壤污染修復(fù)、畜禽養(yǎng)殖除臭、鑒定新物種以及確定特定生態(tài)環(huán)境體系中未培養(yǎng)微生

3、物種群與群落的結(jié)構(gòu)組成及物種的進化模式宏基因組學研究策略從環(huán)境樣品中提取并純化微生物群體基因組：構(gòu)建環(huán)境基因組文庫：環(huán)境基因組文庫的篩選分析：宏蛋白組學(Metaproteomics):是由Paul和Philip二人在2004年首先提出，是應(yīng)用蛋白質(zhì)組學技術(shù)對微生物群落進行研究的一項新技術(shù)，其定義為在特定的時間對微生物群落的所有蛋白質(zhì)組成進行大規(guī)模鑒定. 近年來，人們已經(jīng)意識到微生物在自然界中的重要作用，它們是生態(tài)系統(tǒng)中各種元素循環(huán)不可或缺的一環(huán)，而且它們大多具有許多獨特的生物功能，如有些微生物對各種復(fù)雜有機化合物有降解作用、有些微生物可以在一些極端環(huán)境下生存等等，而使微生物具有這些獨特功能的

4、是一些特殊的酶眾所周知，大多數(shù)酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)，因此對不同自然生態(tài)環(huán)境中所有的蛋白質(zhì)的研究就顯得特別重要，宏蛋白質(zhì)組學就是在這種背景下誕生的宏蛋白質(zhì)組的研究策略環(huán)境總蛋白質(zhì)的提取純化:環(huán)境總蛋白質(zhì)提取純化一般是以經(jīng)典的生物化學、細胞生物學和分子生物學技術(shù)為基礎(chǔ),包括細胞的破碎和總蛋白的沉淀。環(huán)境總蛋白質(zhì)分離：蛋白質(zhì)分離一般采取凝膠的(如2D電泳)或非凝膠的(如液相色譜)方法。環(huán)境總蛋白質(zhì)鑒定及數(shù)據(jù)處理：以生物信息學為基礎(chǔ)，獲取和分析全面的蛋白質(zhì)系統(tǒng)發(fā)育起源和功能信息微生物之間通信交流的一個重要特點就是細胞細胞間的通信。微生物相互之間能夠交流的一個方式就是通過群體感應(yīng)(quorum sens

5、ing)，其中微生物能夠通過制造，釋放和檢測信號分子，根據(jù)細胞密度的變化來調(diào)節(jié)基因的表達群體感應(yīng)(quorum sensing)細菌根據(jù)細胞密度變化進行基因表達調(diào)控的一種生理行為.具有群體感應(yīng)的細菌能產(chǎn)生并釋放一種被稱為自體誘導物(autoinducer)的信號分子,它隨著細胞密度增加而同步增加.當自體誘導物積累到一定濃度時會改變細菌特定基因的表達.革蘭氏陽性及陰性細菌通過群體感應(yīng)與周圍環(huán)境進行信息交流,從而改變細菌的一系列生理活性,這些細菌的生理特性包括共生、細菌毒性、競爭、接合、抗生素的產(chǎn)生、運動性、孢子及生物膜的形成.這種信號傳遞方式可能對低等的細胞進一步進化,并形成高等的生物體有重要作

6、用.細菌中群體感應(yīng)系統(tǒng)的進化可能是多細胞體形成的早期階段。微生物解決能源保證Microbial solutions to energy security根據(jù)新的能源政策法案，直到2012年，成億加侖的可再生燃料一定會是生物燃料通過可再生的生物體產(chǎn)生的。乙醇和生物柴油是兩種使用最廣泛的產(chǎn)生于可再生資源的生物燃料，然而，由于這兩種物質(zhì)很低的能量含量，這兩種生物燃料都不是運輸燃料的理想替代品。近年來，人們已經(jīng)開始嘗試設(shè)計微生物從可再生木質(zhì)纖維生物中來生產(chǎn)運輸燃料產(chǎn)品。Keasling小組很好的總結(jié)了在這個領(lǐng)域的最新進展，對運用微生物來生產(chǎn)異丁醇，異丙醇，高不飽和脂肪酸和作為生物柴油的烷烴都進行了討論

7、。除了傳統(tǒng)的液體生物燃料，使用微生物生產(chǎn)生物電池已經(jīng)受到了相當?shù)闹匾暋，F(xiàn)有的微生物燃料電池技術(shù)的一個主要限制是相對較低的電流密度。Lovely總結(jié)歸納了在這個領(lǐng)域的一些新興的技術(shù)。認為更深一步的理解電子從微生物體向電池陽極的轉(zhuǎn)移，是提高電池效率的關(guān)鍵。微生物解決環(huán)境面臨的挑戰(zhàn)Microbial solutions to environmental challenges在過去的幾十年里，大量的工業(yè)污染物被釋放到環(huán)境中。最近幾年，生物修復(fù)做為一種很好的環(huán)境清理方法得到廣泛的研究。然而，這些污染物的頑固的性質(zhì)已經(jīng)促使利用代謝工程或合成生物學的方法針對目標設(shè)計微生物進行有效的清理。Wood很好的概括了

8、這方面的一些成果。最顯著的是利用先進的代謝工程和蛋白質(zhì)工程手段作為復(fù)雜的通路工程對有機和無機污染物進行整治。有人認為利用轉(zhuǎn)錄組學很蛋白質(zhì)組學，可進一步提高生物修復(fù)中的實用效率。雖然運用設(shè)計微生物這種想法很具有吸引力，具體的實現(xiàn)仍然受當?shù)匚⑸锓N群和其保持活性能力的相互制約。Lorenzo指出通過連接到（UMBBD）美國明尼蘇達大學生物催化和生物降解數(shù)據(jù)庫，通過設(shè)計代謝網(wǎng)絡(luò)（metabolic networks）中的代謝途徑，對生物修復(fù)的成功很有必要。代謝網(wǎng)絡(luò)（metabolic networks）細胞中生物分子成千上萬，但它們最終都與幾類基本代謝聯(lián)系，進入一定的代謝途徑，從而使物質(zhì)代謝有條不紊

9、進行。不同代謝途徑通過交叉點上關(guān)鍵的共同中間代謝產(chǎn)物得以溝通，形成經(jīng)濟有效，運轉(zhuǎn)良好的代謝網(wǎng)絡(luò)微生物解決傳染病Microbial solutions to infectious diseases盡管醫(yī)學科學取得了重大進展，但戰(zhàn)勝傳染病仍然是一個全球性的挑戰(zhàn)。有人認為，大多數(shù)新的感染都不是由于真正的新的病原微生物造成的，而是由于微生物找到了一條新的感染途徑進入易感宿主。因此迫切需要新的藥物來防止傳染病。幸運的是，微生物在進化中產(chǎn)生了無數(shù)的一系列復(fù)雜分子，被稱為次生代謝產(chǎn)物。次生代謝產(chǎn)物是藥品配方豐富的來源。分子生物學和基因組學方面的最新進展使得我們能夠設(shè)計生物合成途徑來合成天然產(chǎn)物Tang和他的同事論述了在組合生物合成天然藥物如環(huán)脂肽和大環(huán)內(nèi)酯類，的最新研究進展，此外，他們還發(fā)現(xiàn)，一些個別的酶能作為生物催化劑催化藥物的合成，例子非核糖體肽合成酶，糖基轉(zhuǎn)移酶和酰基轉(zhuǎn)移酶。和微生物相似，植物能產(chǎn)生驚人的量的天然產(chǎn)品，其中許多都含有生物活性。但是由于能產(chǎn)生人們感興趣天然產(chǎn)物的植物和微生物通常都沒有被完全了解或者很難栽培，操作他們的生物合成路徑也相當受限。此外，許多以天然產(chǎn)物為基礎(chǔ)的藥物，他們含量很小，使得藥物非常昂貴。通過在模型微生物，如大腸桿菌，酵母菌上重建生物合成途徑是一個很可取的有機物合成方法Chemler 和Koffas 對