宏蛋白组学Metaproteomics-生物化学与分子生物学课件.ppt

1、微生物解决全球性变化微生物解决全球性变化microbial solutions to global change 杨拉维 一一 引言：了解微生物世界 二二：1，微生物和能源 2，微生物和环境 3，微生物和疾病了解微生物世界了解微生物世界Understanding the microbial world微生物的作用微生物的作用：1，微生物体是地球上生活的生物的主要组成部分，在全球性的改变方面发挥关键的作用。2，微生物对三个主要的全球性问题，包括能源安全，环境方面面临的挑战和传染疾病的解决方案。微生物体已经被广泛的开发用于医药，农业，食品和工业上 1，很大一部分小分子药物，如青霉素和万古霉素都来自

2、微生物。大多数的工业酶也是从微生物中分离得到。2，微生物作为一个全细胞式的催化剂被用于许多重要的化学转化反应。3，微生物被设计用来生产重组蛋白和药物，生物燃料，氨基酸等化学品一些新的能够快速检测和鉴定新的微生物的方法 宏基因组学宏基因组学（metagenomics）：又叫微生物环境基因组学，元基因组学。自然界约99%的微生物不能通过传统的分离筛选途径进行培养（即未培养微生物）,为获得新的基因资源,更全面地认识微生物多样性和微生物在自然环境和生物圈中的重要作用，近年来随着分子生物学的快速发展及其在微生物研究中的广泛运用,以环境中未培养微生物为研究对象的新兴学科 可利用环境微生物基因组技术进行土壤

3、污染修复、畜禽养殖除臭、鉴定新物种以及确定特定生态环境体系中未培养微生物种群与群落的结构组成及物种的进化模式宏基因组学研究策略宏基因组学研究策略 从环境样品中提取并纯化微生物群体从环境样品中提取并纯化微生物群体基因组：基因组：构建环境基因组文库：构建环境基因组文库：环境基因组文库的筛选分析：环境基因组文库的筛选分析：宏蛋白组学宏蛋白组学(Metaproteomics):是由Paul和Philip二人在2004年首先提出，是应用蛋白质组学技术对微生物群落进行研究的一项新技术，其定义为在特定的时间对微生物群落的所有蛋白质组成进行大规模鉴定.近年来，人们已经意识到微生物在自然界中的重要作用，它们是生

4、态系统中各种元素循环不可或缺的一环，而且它们大多具有许多独特的生物功能，如有些微生物对各种复杂有机化合物有降解作用、有些微生物可以在一些极端环境下生存等等，而使微生物具有这些独特功能的是一些特殊的酶众所周知，大多数酶的化学本质是蛋白质，因此对不同自然生态环境中所有的蛋白质的研究就显得特别重要，宏蛋白质组学就是在这种背景下诞生的宏蛋白质组的研究策略 环境总蛋白质的提取纯化环境总蛋白质的提取纯化:环境总蛋白质提取纯化一般是以经典的生物化学、细胞生物学和分子生物学技术为基础,包括细胞的破碎和总蛋白的沉淀。环境总蛋白质分离环境总蛋白质分离：蛋白质分离一般采取凝胶的(如2D电泳)或非凝胶的(如液相色谱)

5、方法。环境总蛋白质鉴定及数据处理环境总蛋白质鉴定及数据处理：以生物信息学为基础，获取和分析全面的蛋白质系统发育起源和功能信息 微生物之间通信交流的一个重要特点就是细胞细胞间的通信。微生物相互之间能够交流的一个方式就是通过群体感应(quorum sensing)，其中微生物能够通过制造，释放和检测信号分子，根据细胞密度的变化来调节基因的表达群体感应群体感应(quorum sensing)细菌根据细胞密度变化进行基因表达调控的一种生理行为.具有群体感应的细菌能产生并释放一种被称为自体诱导物(autoinducer)的信号分子,它随着细胞密度增加而同步增加.当自体诱导物积累到一定浓度时会改变细菌特定

6、基因的表达.革兰氏阳性及阴性细菌通过群体感应与周围环境进行信息交流,从而改变细菌的一系列生理活性,这些细菌的生理特性包括共生、细菌毒性、竞争、接合、抗生素的产生、运动性、孢子及生物膜的形成.这种信号传递方式可能对低等的细胞进一步进化,并形成高等的生物体有重要作用.细菌中群体感应系统的进化可能是多细胞体形成的早期阶段。微生物解决能源保证Microbial solutions to energy security 根据新的能源政策法案，直到2012年，成亿加仑的可再生燃料一定会是生物燃料通过可再生的生物体产生的。乙醇和生物柴油是两种使用最广泛的产生于可再生资源的生物燃料，然而，由于这两种物质很低的

7、能量含量，这两种生物燃料都不是运输燃料的理想替代品。近年来，人们已经开始尝试设计微生物从可再生木质纤维生物中来生产运输燃料产品。Keasling小组很好的总结了在这个领域的最新进展，对运用微生物来生产异丁醇，异丙醇，高不饱和脂肪酸和作为生物柴油的烷烃都进行了讨论。除了传统的液体生物燃料，使用微生物生产生物电池已经受到了相当的重视。现有的微生物燃料电池技术的一个主要限制是相对较低的电流密度。Lovely总结归纳了在这个领域的一些新兴的技术。认为更深一步的理解电子从微生物体向电池阳极的转移，是提高电池效率的关键。微生物解决环境面临的挑战Microbial solutions to environm

8、ental challenges 在过去的几十年里，大量的工业污染物被释放到环境中。最近几年，生物修复做为一种很好的环境清理方法得到广泛的研究。然而，这些污染物的顽固的性质已经促使利用代谢工程或合成生物学的方法针对目标设计微生物进行有效的清理。Wood很好的概括了这方面的一些成果。最显著的是利用先进的代谢工程和蛋白质工程手段作为复杂的通路工程对有机和无机污染物进行整治。有人认为利用转录组学很蛋白质组学，可进一步提高生物修复中的实用效率。虽然运用设计微生物这种想法很具有吸引力，具体的实现仍然受当地微生物种群和其保持活性能力的相互制约。Lorenzo指出通过连接到（UMBBD）美国明尼苏达大学生物

9、催化和生物降解数据库，通过设计代谢网络（metabolic networks）中的代谢途径，对生物修复的成功很有必要。代谢网络（metabolic networks）细胞中生物分子成千上万，但它们最终都与几类基本代谢联系，进入一定的代谢途径，从而使物质代谢有条不紊进行。不同代谢途径通过交叉点上关键的共同中间代谢产物得以沟通，形成经济有效，运转良好的代谢网络微生物解决传染病Microbial solutions to infectious diseases 尽管医学科学取得了重大进展，但战胜传染病仍然是一个全球性的挑战。有人认为，大多数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

10、找到了一条新的感染途径进入易感宿主。因此迫切需要新的药物来防止传染病。幸运的是，微生物在进化中产生了无数的一系列复杂分子，被称为次生代谢产物。次生代谢产物。次生代谢产物是药品配方丰富的来源。分子生物学和基因组学方面的最新进展使得我们能够设计生物合成途径来合成天然产物 Tang和他的同事论述了在组合生物合成天然药物如环脂肽和大环内酯类，的最新研究进展，此外，他们还发现，一些个别的酶能作为生物催化剂催化药物的合成，例子非核糖体肽合成酶，糖基转移酶和酰基转移酶。和微生物相似，植物能产生惊人的量的天然产品，其中许多都含有生物活性。但是由于能产生人们感兴趣天然产物的植物和微生物通常都没有被完全了解或者很难栽培，操作他们的生物合成路径也相当受限。此外，许多以天然产物为基础的药物，他们含量很小，使得药物非常昂贵。通过在模型微生物，如大肠杆菌，酵母菌上重建生物合成途径是一个很可取的有机物合成方法 Chemler 和Koffas 对微生物中的植物性天然产物的最近研究进展中讨论了通过大肠杆菌和酵母生产抗疟疾药物青蒿素，相应的生物过程最近已被用于商业化生产。其他例子包括微生物合成番茄红素，类黄酮，苯乙烯，和生物碱。Tang和他的合作者以及Chemler和Koffas在他们的文章中都强调了生物工程的方法设计和生产新药物或药物引物的重要性。谢谢！