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微生物基因组研究

密码子图书馆 2021-10-05 09:17:48生物百科
微生物往往被视为“无处不在,无所不为”的生物,制作重组基因的载体和表达重组基因的受体也需要微生物。20世纪90年代后期开始了微生物基因组的研究。这项研究是从对微生物完整的全基因核苷酸测序入手,在分析基因结构的基础上,认识微生物的完整生物学功能。 微生

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微生物往往被视为“无处不在,无所不为”的生物,制作重组基因的载体和表达重组基因的受体也需要微生物。20世纪90年代后期开始了微生物基因组的研究。这项研究是从对微生物完整的全基因核苷酸测序入手,在分析基因结构的基础上,认识微生物的完整生物学功能。 微生物基因组研究具有目标明确、相对投入少、收效快、成果易于转化为产品等许多优点。大多数微生物基因组已被国外学者报道,或正在测序,但还有一些我国特有的微生物资源,如投入力量进行基因组研究,有可能很快获得高起点的基地。

了解一下微生物

微生物无处不在

微生物是一群形体微小、肉眼看不见的生物,必须经放大上千倍甚至数万倍才能观察到。在微生物诸多特性中,最令人惊叹的是它们具有极其多样化的生理功能,可以在各种环境中生存:不仅在人或动植物体内生存,还可在空气稀薄的高空、高压力的深海底和温度高达90℃或-80℃的极端环境下生存,在矿井、油田、农田,甚至沙漠中都有微生物的存在。因此微生物往往被视为“无处不在,无所不为”的生物。

微生物分类

一般将微生物分为真菌、放线菌、细菌、螺旋体、立克次体、衣原体、支原体和病毒。但随着不断发现新的微生物,种类还在不断增多。病毒的种类(如流感病毒、肝炎病毒)在引起人类传染病的各种病原体中占75%。放线菌是产生抗生素和微生物药物的主要来源。细菌所致的严重人畜疾病仍占十分重要的地位,据世界卫生组织预测,如无有效的防治措施,10年内全球将有3000万人因结核病死亡,3亿人受结核菌感染。在过去的20年中,又发现30多种新病原微生物,比如新近发现幽门螺杆菌是引起胃溃疡的病因,从而彻底改变了溃疡病的治疗原则。蛋白质传染粒子(Prion)引起的人类克-雅病(Creutzfeldt?Jakob)和疯牛病将微生物致病病因覆盖的领域更进一步拓宽。在人类向外星球扩展的过程中,微生物这一生命活动方式极其多样化的特殊生物群体,将在科技的理论研究和开发应用中占有十分重要的地位。

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微生物基因组研究

20世纪利用

自从19世纪后期巴斯德在酿酒、蚕病及狂犬病疫苗方面发展了微生物生理学及其应用以来,由病原微生物改造制成的预防疾病的疫苗是微生物对人类最突出的贡献。迄今,天花是全球第一个、也是唯一被宣布为已消灭的疾病,这一成果应归功于疫苗的研制与应用。对比研究其他疾病所耗的资金与精力,人类利用微生物所取得的成绩可谓“短、平、快”。提出2000年前在全球范围消灭小儿麻痹症,进而消灭麻疹,这均是微生物所致的疾病。伴随产品的开发,疫苗产业已蓬勃发展并获得了高额利润。

1929年弗莱明在进行细菌培养时,偶尔观察到青霉菌周围有明显的抑制金黄色葡萄球菌生长的“抑菌圈”,从而发现了青霉素,开创了抗生素研究的时代。直到1940年,弗罗里才获得了可供人体使用的青霉素纯品。此后,抗生素研究的热潮引发了对微生物代谢的研究,陆续出现了链霉素、红霉素、氯霉素、万古霉素等。至今,以研究微生物中抗生素有效基因及其基因族、基因模块(module)为核心的高科技药物产业,以及以研究微生物代谢为基础的发酵工业等已迅猛发展。微生物代谢产物的研究已超越了抗生素的范畴,成为发现新药物的源泉,现已发现多种抗肿瘤药物及免疫调节药物。

此外,应用微生物产物作为畜用添加剂,研究固氮菌及其质粒以促进农业生产,利用微生物处理垃圾及污水,用微生物处理废弃的化学武器等均是微生物在各个领域的贡献所在。

微生物与基因工程

基因工程的核心技术是基因重组与表达,而能准确切割基因的酶(限制性内切酶)和连接基因片段的酶(连接酶)的发现,为基因重组的操作提供了必要的前提条件。制作重组基因的载体和表达重组基因的受体也需要微生物,其中大肠杆菌就是我国生产重组干扰素和白细胞介素-2的工程菌。现已取代人血浆来源的重组乙型肝炎疫苗,就是用酵母菌表达与生产的。可见,在高科技产业中,微生物也功不可没。

由于微生物具有结构简单,基因组小,一般无内含子,多数为无性繁殖,可人工培养等特点。因此,作为分子生物学及相关基础生物学研究的材料,是一种良好的模式生物。DNA的双螺旋结构及碱基配对学说都是建立在病毒研究基础上的。对操纵子调控基因表达的模式及理论也是利用大肠杆菌研究而获得的。最早进行生物的基因组结构分析也是从病毒开始的。至于逆转录病毒的发现则被认为对生命起源的研究提供了重要资料。整个20世纪,共有57名诺贝尔奖金获得者进行的研究与微生物相关,由此可见微生物对生命科学的发展作出了巨大的贡献。

微生物基因组研究

20世纪90年代后期开始了微生物基因组的研究这项研究是从对微生物完整的全基因核苷酸测序入手,在分析基因结构的基础上,认识微生物的完整生物学功能。微生物基因组计划(Microbial Genome Program)被认为是生命科学领域的一项大工程。病毒作为最小的一种微生物,至1998年,全球已完成了572株病毒基因组的序列测定,覆盖了主要病毒科的代表株。我国学者也完成了对痘苗病毒天坛株和甲、乙、丙、戊、庚型肝炎病毒株,以及两株虫媒病毒基因组的全序列测定。在痘苗天坛株基因中已发现与人细胞因子相关的受体编码基因有开发前景。重组乙肝疫苗就是用病毒的表面抗原基因在酵母菌中表达而成的。在我国该疫苗的年产值达数亿元。溶栓药、重组链激酶就是利用链球菌编码的链激酶基因表达,而制成的新型药物,已获较高的经济效益。

当前,对病毒基因组的研究已进入后基因组研究阶段,即基因功能的研究阶段,研究重点已从基因组结构转至对病毒与宿主细胞相互作用的功能性研究。我国学者通过分析病毒的某些基因结构,已发现它们与病毒的复制性及免疫原性改变有关。法国学者罗杰蒙特(V.Rogenmotel)已将生物传感器技术用于病毒与细胞受体的识别机理研究。利用这类研究策略可以开发新的诊断试剂。

细菌作为一类结构和生命活动比病毒更复杂的微生物,正在进入基因组研究的高潮阶段。发达国家已对具有重要经济价值或重大社会效益的细菌基因组展开了紧锣密鼓的核苷酸测序工作。到1999年2月,已完成了对15种细菌基因组的测序,其中包括幽门螺杆菌、结核杆菌、梅毒螺旋体、酿酒酵母菌、肺炎支原体等。尚有40余种细菌的基因组正在测序,预计将在2000年底完成。值得一提的是,美国已考虑允许微生物基因组的研究结果申请专利,而对人类基因组则应尽早公开资料。其主要观点是,微生物基因组研究成果转入开发应用周期短,具有更高的经济价值。

微生物学革命

意义

微生物基因组及其功能的研究将导致一场影响深远的生命科学的革命。因为这一研究成果将从本质上揭示和分析大量迄今未被认识的微生物的新基因,以及它们所编码的具有新功能的蛋白质和一大批新的基因调控元件。例如在开展基因组研究之前,对引起小儿脑膜炎的嗜血流感杆菌,只了解7个与毒力相关的脂多糖编码基因,而经全基因组测序及功能对比分析后,又确认了25个新的脂多糖编码基因,开辟了对其致病机理研究、新型疫苗和药物研究的新领域。

通过发现新的微生物代谢途径,也将为微生物及其产物的利用开辟新天地。如最近国外对固氮菌的大质粒进行测序,将可能为提高固氮菌的效能奠定基础。近30年来抗生素一直停滞在对原有抗生素进行修饰的阶段,未开发新产品,因为未发现新的抗生素作用“靶”,无从研制新的药物类型。更重要的是,微生物作为一种模式生物,随着对其基因组的研究,将为揭示一系列诸如生命起源、生物发育和进化等生命活动的重大基本问题提供极大的帮助。回顾20世纪由微生物所揭示的大量基本生命活动规律,可以预见,在21世纪微生物基因组研究可能带来革命性的影响。

潜在价值

人的认识总是从低级向高级发展。微生物的基因组大小与人的基因组相比,小而简单。先期着手研究微生物基因组,可以积累经验完善技术,为人类基因组的研究做好准备工作,不可忽视。近年来发现,酵母菌基因组中有与人老年性痴呆基因相似的基因结构,这无疑说明了研究微生物基因组的潜在价值。

微生物基因组研究具有目标明确、相对投入少、收效快、成果易于转化为产品等许多优点。建国以来,我国在微生物理论及其应用上已取得了大量成果,为我国开展微生物基因组结构与功能研究奠定了良好的基础。

微生物基因组结构及功能的研究,提供了在医药及工农业领域中,进行创新性理论研究和应用研究的机遇,因此这是我国人口与健康基础研究中的一个重要阵地,可以大有作为。虽然大多数微生物基因组已被国外学者报道,或正在测序,但还有一些我国特有的微生物资源,如投入力量进行基因组研究,有可能很快获得高起点的基地。对于已完成基因组测序的微生物,我国可组织力量进行后基因组的研究,争取在开发创新性药品或产品中占有席位。作为发展中国家,应该看到微生物引起的疾病在我国仍占首位,制服病原微生物将造福大众。我国不仅具有极其丰富的微生物资源,还有进行开发和应用微生物技术的高质量技术队伍。通过各学科的综合研究,有望在挑战中获得有创新性的成果。

中国参与

中国参与全球最大微生物基因组研究项目

人民网北京2011年3月22日电(记者吴迎春)中国科学家22日宣布将参与全球最大微生物基因组研究项目(Earth Microbiome Project,EMP),并承担核心工作。该项目旨在全面、系统地研究全球范围内的微生物群落的功能及进化多样性,以便更好地造福人类。 

该项目的研究对象不仅仅集中于海洋和人体环境中微生物群落,还包括土壤、空气、淡水生态系统等整个地球表面的绝大多数的微生物群落。该项目将对来自全球的20万个样本进行环境DNA测序或者宏基因组测序从而建立一个全球性的基因图谱。来自华大基因的中国科学家将会负责EMP亚洲地区所有样本的收集和鉴定,并对整个项目提供DNA提取、扩增、建库、宏基因组测序以及研发生物信息学分析流程所需的计算资源。这些信息学分析流程将为EMP产生的海量数据提供一个分析框架。

地球上的微生物要比其他已知星球上的多,但是,迄今为止,极度缺少对地球上复杂多样的微生物研究。然而,高通量测序技术的应用为探索微生物世界提供可前所未有的机会。与以前的微生物或微生物群体测序相比,EMP的提出将会带来更加巨大的影响。该项目可以获得大约500,000个重测的基因组,一个全球的代谢模型和一个所有信息可视化的数据分析入口,这将可以更好的描述每个生物群落的蛋白质空间结构及环境代谢模型。参与该项目的主要单位有华大基因(BGI)、美国阿贡国家实验室、芝加哥大学、科罗拉多大学、劳伦斯-伯克利国立实验室和美国基因能源联合研究所。
文章来源:微生物技术应用