宏蛋白組學(xué)Metaproteomics-生物化學(xué)與分子生物學(xué)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(xì)胞式的催化劑被用于許多重要的化學(xué)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(xué)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(xué)（metagenomics）：又叫微生物環(huán)境基因組學(xué)，元基因組學(xué)。自然界約99%的微生物不能通過傳統(tǒng)的分離篩選途徑進(jìn)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(rèn)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(xué)的快速發(fā)展及其在微生物研究中的廣泛運(yùn)用,以環(huán)境中未培養(yǎng)微生物為研究對象的新興學(xué)科可利用環(huán)境微生物基因組技術(shù)進(jìn)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(jìn)化模式宏基因組學(xué)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(xué)(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(xué)技術(shù)對微生物群落進(jìn)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(jìn)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(jī)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(xué)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(xué)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(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ),包括細(xì)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(xué)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(xì)胞細(xì)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(xì)胞密度的變化來調(diào)節(jié)基因的表達(dá)群體感應(yīng)(quorum sensing)細(xì)菌根據(jù)細(xì)胞密度變化進(jìn)行基因表達(dá)調(diào)控的一種生理行為.具有群體感應(yīng)的細(xì)菌能產(chǎn)生并釋放一種被稱為自體誘導(dǎo)物(autoinducer)的信號分子,它隨著細(xì)胞密度增加而同步增加.當(dāng)自體誘導(dǎo)物積累到一定濃度時會改變細(xì)菌特定基因的表達(dá).革蘭氏陽性及陰性細(xì)菌通過群體感應(yīng)與周圍環(huán)境進(jìn)行信息交流,從而改變細(xì)菌的一系列生理活性,這些細(xì)菌的生理特性包括共生、細(xì)菌毒性、競爭、接合、抗生素的產(chǎn)生、運(yùn)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(xì)胞進(jìn)一步進(jìn)化,并形成高等的生物體有重要作

6、用.細(xì)菌中群體感應(yīng)系統(tǒng)的進(jìn)化可能是多細(xì)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(yùn)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(yùn)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(jìn)展，對運(yùn)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(jìn)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(dāng)?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(rèn)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(xué)的方法針對目標(biāo)設(shè)計微生物進(jìn)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(jìn)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(jī)和無機(jī)污染物進(jìn)行整治。有人認(rèn)為利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)很蛋白質(zhì)組學(xué)，可進(jìn)一步提高生物修復(fù)中的實用效率。雖然運(yùn)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(dāng)?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(dá)大學(xué)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(xì)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(jìn)入一定的代謝途徑，從而使物質(zhì)代謝有條不紊

9、進(jìn)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(jì)有效，運(yùn)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(xué)科學(xué)取得了重大進(jìn)展，但戰(zhàn)勝傳染病仍然是一個全球性的挑戰(zhàn)。有人認(rèn)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(jìn)入易感宿主。因此迫切需要新的藥物來防止傳染病。幸運(yùn)的是，微生物在進(jìn)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(xué)和基因組學(xué)方面的最新進(jìn)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(jìn)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?；D(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(dāng)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(jī)物合成方法Chemler 和Koffas 對