海洋微生物宏基因组工程进展与展望
宏基因组技术研究进展
DOI:10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2012.03.011 ·综述· 宏基因组技术研究进展印蕾，高向东，顾觉奋微生物支撑着地球上的物质循环和生命延续，除了自身可作为新基因资源的重要来源外，还可产生对人类有价值的活性物质。
然而，传统纯培养方法严重限制了人们对微生物资源的认识和开发。
一方面，随着对微生物活性产物研究的深入，微生物往往被重复培养和筛选，从传统方法来筛选新活性物质的几率不断下降。
另一方面，多达 99% 的微生物在现有实验条件和技术下尚未得到纯培养，其中蕴含着大量潜能微生物和基因资源[1]。
近年来，随着基因组学在各个领域的渗入和现代分子技术的逐渐成熟，宏基因组学（Metagenomics）应运而生，开启了环境微生物研究的新方向。
1986年，Olsen 等[2]提出直接从环境中克隆核糖体小亚基 DNA（16SrDNA），首次运用非纯培养的分子生物学方法研究展开微生物多样性研究。
随着环境基因组学（Environmental genomics）概念的出现[3]以及第一个海洋微生物宏基因组文库的建立[4]，宏基因组学研究开始受到广泛关注。
1998 年，Handelsman 等[5]在前人研究的基础上正式提出了宏基因组（Metagenone）的概念，即“特定生态环境中所有生物遗传物质的总和”。
宏基因组学则以环境样品中微生物群体基因组为研究对象，采用功能基因筛选和测序分析等研究工具，从不可培养微生物中来寻找新基因或开发新生物活性物质[6]。
宏基因组学的产生使人们摆脱了物种界限，克服了传统微生物培养方式的缺陷，扩大了微生物资源的利用，掀开了环境微生物研究的新篇章。
1 宏基因组学研究策略区别于传统培养途径（图1）[7]，宏基因组学的研究过程包括从环境样品中提取基因组 DNA；载体连接；转化宿主细胞，形成一个重组的 DNA 文库；筛选目的克隆 4 个步骤。
宏基因组技术及其在海洋微生物研究中的应用
宏基因组技术及其在海洋微生物研究中的应用宏基因组技术是一项重要的研究工具，在近年来的研究中得到了广泛的应用，尤其是在海洋微生物研究中。
本文就宏基因组技术的基本原理、研究方法以及其在海洋微生物研究中的应用展开介绍，以期为海洋微生物研究的发展进步提供重要助力。
宏基因组技术可简述为以基因组为基础，以全基因组测序（shotgun sequencing）、全基因组定位测序（whole genome mapping）和芯片技术等为方法，通过对一个特定细胞中的所有DNA片段（包括基因、基因家族、基因复制和调节等）进行测序分析，从而研究特定细胞的结构和功能的技术。
宏基因组技术的优点是较好地解决了全基因组测序中测序片段配对问题，使最终拼接的结果更加准确，进而达到整个基因组的分析，因而在现代生物学研究中，宏基因组技术受到了极大的关注。
宏基因组技术在海洋微生物研究中的应用主要体现在以下几个方面：首先，宏基因组技术可以有效地揭示海洋微生物的分子遗传机制。
它可以帮助我们了解海洋微生物的某些重要特性的分子机制，例如它们的适应性、发育能力以及进化等。
其次，宏基因组技术还可以帮助我们发现并鉴定海洋微生物种类及其分布，进而了解海洋微生物种类资源的多样性和分布规律，为海洋生态环境保护提供依据。
此外，宏基因组技术还可以揭示海洋微生物在环境变化过程中的多样性变化规律，这对于研究微生物在气候变化过程中的响应具有重要意义。
宏基因组技术在海洋微生物研究中的应用，有助于深入理解海洋微生物的结构与功能关系，全面掌握海洋微生物的形态特征及分布规律，进而指导海洋微生物的利用和保护。
在当前的研究中，宏基因组技术得到了广泛的应用，基本上我们已经可以从基因水平上深入了解海洋微生物的一些重要特性，并且以更高的效率挖掘海洋微生物种类资源，为海洋生物多样性研究和保护提供有力支撑。
因此，宏基因组技术对海洋微生物研究具有极其重要的意义。
未来应当继续加强宏基因组技术在海洋微生物研究中的应用，更加全面地深入研究。
海洋中的微生物资源发掘及其应用前景
海洋中的微生物资源发掘及其应用前景随着生态环境的不断恶化和人口的不断增加，传统的资源已经难以满足人类的需求。
在这种背景下，人类开始寻找新的资源来源，其中海洋中的微生物资源逐渐受到了广泛的关注。
海洋中的微生物资源具有丰富的物种多样性和广泛的生物学活性，具有巨大的开发和利用潜力。
一、海洋中的微生物资源的发掘1. 海洋中的微生物资源的种类和分布海洋中的微生物资源主要包括细菌、真菌、藻类、原生动物等。
这些微生物广泛分布于海洋中的各种生境中，如海洋底层沉积物、海水、海洋生物体内等。
由于其数量巨大且广泛分布，海洋中的微生物在全球的生态系统中具有重要的地位。
2. 海洋中的微生物资源的发掘方法目前，发掘海洋中的微生物资源主要采用三种方法：传统筛选法、分子生物学筛选法和基因组学筛选法。
传统筛选法基于物种特征和生物学活性筛选菌落。
分子生物学筛选法是根据微生物的功能基因构建PCR反应引物，对海洋样品进行筛选。
基因组学筛选法则是对微生物进行基因组测序，确定其生物学活性。
二、海洋中微生物资源的应用前景海洋中的微生物资源具有众多的生物学活性和生物技术潜力，其开发和利用前景广阔。
1. 食品工业的应用海洋中的微生物资源提供了一系列的生物活性成分，能够作为食品添加剂。
例如，海洋微生物生产的多糖、蛋白质、酶等成分，可以用于改善食品口感和营养成分。
2. 医药工业的应用海洋中的微生物资源可以作为药物的原材料，具有广泛的开发潜力。
例如，之前发现的多美滋素D和万古霉素，都是由海洋中的微生物发酵提取的。
此外，来自海洋中微生物的抗肿瘤、抗病毒、抗菌等有生物学活性成分的发掘，也是当前医学研究中的热点。
3. 环境保护领域的应用海洋中的微生物资源不仅为人们带来了经济财富，也为环境保护带来了一些创新。
近年来，基于海洋中的微生物，开发出一些新颖的生物技术，例如利用微生物清理海洋环境中的有害物质等，保护海洋的生态环境。
总结：海洋中的微生物因种类多样，分布广泛，具有丰富的生物学活性和开发利用潜力，被广泛关注。
生物工程技术在海洋生物资源开发中的应用前景
生物工程技术在海洋生物资源开发中的应用前景随着海洋资源的逐渐枯竭和对可持续发展的追求，生物工程技术在海洋生物资源开发中的应用前景正日益受到关注。
生物工程技术作为一种综合应用技术，可以利用现代生物学、工程学和化学等学科知识，对海洋生物资源进行开发、利用和保护。
本文将探讨生物工程技术在海洋生物资源开发中的重要应用领域，并讨论其发展前景。
一、基因工程在海洋生物资源开发中的应用基因工程技术在海洋生物资源开发中扮演着重要的角色。
通过利用基因工程技术，可以实现对海洋生物遗传信息的研究和改良。
例如，利用基因工程技术可以改良某些海洋动植物的生长速度、免疫能力和品质等性状，以提高其经济价值。
此外，基因工程技术还能够通过转基因技术实现对海洋生物的遗传改造，使其具备新的物质生产能力，如产生特定的药物、饲料和生物材料等。
基因工程技术的应用预计将进一步促进海洋生物资源的高效利用和可持续开发。
二、微生物技术在海洋生物资源开发中的应用微生物技术是另一个在海洋生物资源开发中具有潜力的领域。
海洋中富含各种微生物，它们具有抗逆能力和适应性强的特点，可以在特殊环境中生存和繁殖。
通过利用微生物技术，可以有针对性地寻找和筛选出具有特殊功能的海洋微生物，如产酶、产抗生素和产酶等。
这些具有特殊功能的微生物可以应用于海洋生物资源的开发和利用中，提高资源的综合利用率和降低生产成本。
因此，微生物技术在海洋生物资源的开发中具有广阔的应用前景。
三、生物多样性保护与可持续发展对于海洋生物资源开发来说，生物多样性保护与可持续发展是至关重要的。
海洋生物资源是地球上生物多样性最为丰富的地区之一，因此，保护和维护海洋生物多样性对于可持续开发至关重要。
生物工程技术可以为生物多样性保护和可持续发展提供有力支持。
通过遗传标记技术和生物信息学等手段，可以准确评估和监测海洋生物多样性，为资源开发与保护提供科学依据。
此外，生物工程技术还可以发展生态友好型的海洋生物资源利用技术，如生物修复技术和循环经济技术，以实现对生态环境的保护和恢复。
海洋生物学研究中的技术进展
海洋生物学研究中的技术进展海洋生物与生命本质一样，是无穷无尽的，仍有很多未被揭示出来的奥秘在等待着人们去慢慢探索。
而在海洋科学研究中，技术是推动研究逐步发展的重要力量之一。
本文将会介绍和探讨在海洋生物学研究中的技术进展，探索着科技以及科学的发展所带来的奇妙变革。
一、船只探测技术进展在传统的海洋生物学研究中，人们通常使用渔船或者单体潜水器来搜寻和观察海洋生物。
而这样做存在着诸多的限制，例如数据采集和传输的效率低下、船只的安全性等。
为了克服这些限制，现代船只和海洋科技得到了跨越式的发展。
公海号（RV Atlantis）是美国海洋与大气管理局下属的一艘海洋科学考察船，它探测的深度可以达到4570米。
其搭载的阿尔文潜水器可以在深达4500米的海底进行探险。
这些高规格的技术设备能够帮助科学家深入海底，观察未知的生物群落和海洋生态环境，为海洋研究提供了丰厚的数据。
二、物种分类技术进展物种分类是海洋生物学的必要基础, 能够为我们理解物种之间的关系提供重要线索。
然而，人类对海洋之浩瀚宏大，想要发现并分类每一种海洋生物是非常困难的。
在过去，分类通常是依靠观察形态特征和基因组分析，但这种方法准确性不高并且费时费力。
而现在出现了一些更加高效和智能的技术。
基于基因分子生物学的技术，比如 DNA 条码和第二代高通量测序技术，可以更加精确地解析和识别物种。
人们可以通过基于DNA 条码的测序技术知道一个个体所属的物种。
这种技术的优点在于高精度和速度。
在研究物种多样性和对某个群落的行为动态的探讨中，这种技术有着非常广泛的应用。
这些工具提供了更加准确、实惠和智能化的菌种分类。
三、图像处理技术进展海洋生物学是一门需要观察和记录自然环境的学科。
为了深入了解水下生物群落的情况，科学家们需要对海底环境进行实时观测和记录。
而现代的图像处理和机器学习技术帮助科学家更加直观而详细地观测海底物体，把海底的数字和图像数据转化为科研数据。
现在，国际上已经有许多研究人员正在开展海底图像处理和数据挖掘的技术。
宏基因组学研究进展
宏基因组学研究进展在生物学领域，宏基因组学作为一门新兴的前沿学科，为我们揭示了大量未知的生物世界奥秘。
本文将通过介绍宏基因组学的基本概念、研究现状、研究方法、研究成果及其局限性，带领大家全面了解宏基因组学的研究进展。
宏基因组学是一门研究存在于生物群落中的基因及其多样性的学科。
它通过运用高通量测序、生物信息学和系统生物学等技术手段，对整个生态系统中的微生物基因组进行深入研究，旨在揭示微生物群落中隐藏的生物多样性和生态功能。
随着16S rRNA基因测序技术的发展，宏基因组学研究取得了突破性进展。
尤其是近几年，宏基因组学研究在环境微生物多样性、病原菌感染机制以及生物医药等领域表现出巨大的应用前景。
发展趋势表明，宏基因组学将进一步推动生命科学领域的发展，为人类解决一系列生态和健康问题提供有力支持。
在宏基因组学研究中，实验设计、数据分析和模型构建等方面都至关重要。
实验设计需要考虑样品的采集、处理和文库构建等环节；数据分析则需借助一系列生物信息学技术和算法，对海量数据进行有效挖掘和精准解析；模型构建则需要以数据为基础，构建能准确描述微生物群落结构和功能的数学模型。
宏基因组学研究已经取得了一系列令人瞩目的成果。
例如，通过研究海洋微生物群落，科学家发现了许多新的微生物种类和基因，揭示了海洋生态系统的运行机制；同时，宏基因组学研究还在病原菌感染、生物医药等领域表现出极大的应用潜力，为解决一些重大疾病提供了新的思路和方法。
这些成果不仅丰富了我们对生物世界多样性的认识，也为我们提供了大量宝贵的生物资源。
然而，尽管宏基因组学研究已经取得了显著的成果，但仍存在一定的局限性。
例如，采样过程中可能会受到污染，导致结果出现偏差；另外，数据分析过程中可能存在技术难点，如噪声数据的处理、稀有物种的检测等。
此外，宏基因组学研究还面临着理论和方法上的挑战，例如如何构建更为精准的微生物群落模型，如何将宏基因组学研究成果应用于实践等等。
总之，宏基因组学作为一门新兴的生物学分支，为我们揭示了大量未知的生物世界奥秘。
宏基因组学
,已发现的新基因主要有生物催化 剂基因、 抗生素抗性基因以及编码转运蛋白基因
• 土壤宏基因组学技术最引人注目的贡献是新生物 催化剂的发现 , 包括腈水解酶和淀粉酶( Rondon et al . , 2000 )、 蛋白酶、 氧化还原酶(Knietsch et al . , 2003)、 脂肪酶、 酯酶 ( Ki m et a l . ,2004; 2006)等 ,并且在此基础上获得新酶的许 多特征信息.
• 海表层水样 为研究海洋生命的代谢潜力和海洋生态学提供
了前所未有的原始素材；海洋蕴藏着巨大的生物 多样性和复杂性 ,宏基因组学研究将大大促进人 们对它的认识。 • 极端环境水体 (如酸性矿水、 深海 )
由于其苛刻的物理化学条件,使得其中的微生 物群落也较为独特 ；利用环境基因组学对其开展 微生物生物群落结构及生理代谢对环境变化响应 的研究 ,将促进我们更好地理解这些极端环境生 态系统并对其加以调控和利用。
序列分析法
• 微序列技术 (Micr oarray)采用集约化和平面处 理原理 ,在微小片基上高密度而有序地排列大量 基因片段、 EST或寡核苷酸片段 ,从而形成 DNA 微矩阵 ,又称基因芯片。
• 焦磷酸测序技术( Pyrosequencing) 是在焦磷酸 盐测序法的基础上结合一种乳胶材料和皮升级反 应孔 ,将基因组 DNA进行随机切割 ,批量地进行 整个测序反应，能够在相同的时间内破译 6 × 106组以上的基因组序列 ,比 Sanger法要快100 倍 ,提高了测序的效率。
将一条完整的目标序列随机打断成小的片段 , 分别测序 ,然后利用计算机根据序列间的重叠关 系进行排序和重新组装, 并确定它们在基因组中 的正确位置 。
• 优点：为筛选新的天然产物提供了 一种可选择的途径, 从中挖掘上百 万个新基因,揭示不可培养微生物 的代谢途径.
宏基因组学和元基因组学的研究进展
宏基因组学和元基因组学的研究进展宏基因组学和元基因组学是生物学研究中的两个新领域。
前者是指研究微生物群体组成和功能的广泛基因组学，后者是指研究基因组序列数据的分析和解释。
这两个领域在近年来得到了快速发展，为微生物学的研究提供了更全面的视野。
在本文中，我们将讨论宏基因组学和元基因组学的研究进展，以及这些新方法如何改变微生物学的研究方法。
宏基因组学宏基因组学是一种广泛的微生物群落分析方法，用于刻画合成群落系统的多样性、种类以及功能。
它涉及从环境样品中提取和分离DNA 并通过高通量测序来分析和比较各种基因组，例如芽孢杆菌、屈曲菌和厌氧菌等微生物的发掘从而进行系统深入的基因组学研究。
以前，研究者通常只特异研究一个菌株，因此不可避免地忽略其生活环境中其他菌株对这个菌株维持生存所起的作用。
宏基因组学是一种针对这个研究上的瓶颈的全面性方法。
它可以将整个微生物社区视为一个整体去探究和发掘，而不仅仅是单独针对菌株的研究。
宏基因组学的发展极大地促进了微生物学的研究。
借助这种新方法，研究者现在可以研究广泛的微生物群体，比如土库曼池盐湖这样的一种强胁迫环境的微生物群体，曾经这样的微生物群体难以研究。
利用此方法，研究者们能够找到一些在生存环境具有重要功能或者新颖特性的微生物，并对它们的性质进行详细的探究。
因此，宏基因组学为微生物群落的发现和鉴定提供了一种快捷有效的途径。
元基因组学元基因组学是一种研究微生物和其他生物系统在基因组水平上的样品和群体多样性的方法。
与基因组学研究仅仅关注单个物种不同，元基因组学依然适用于研究微观生物群落以及混合分析的方法。
元基因组学研究则首先根据群落中存在的基因逐一进行筛选，进而研究群落中深层隐含的多样性信息和它们之间的关系。
通过分析每个样品内的基因的剖面，元基因组学能够揭示生态和环境对微生物群落结构和功能的影响。
大大地能够促进微生物全球生态对环境的种类、多样性、遗传偏移、阶层、以及生物地理学模式等方面的了解。
宏基因组学的研究现状和发展趋势
宏基因组学的研究现状和发展趋势一、本文概述宏基因组学，作为一个综合性的生物学研究领域，近年来在科研界引起了广泛的关注。
它利用高通量测序技术，对环境中所有微生物的遗传物质进行研究，从而深入探索微生物群落的组成、功能以及它们与环境的相互作用。
本文旨在概述宏基因组学的研究现状，包括其在不同生态环境中的应用、关键技术的进展以及面临的挑战；还将探讨宏基因组学未来的发展趋势，如数据分析和解释方法的改进、新技术的应用以及其在生物技术、医学和环境保护等领域的潜在价值。
通过对宏基因组学的研究现状和发展趋势的全面分析，我们期望能够为读者提供一个清晰而深入的理解，以推动该领域的持续发展和创新。
二、宏基因组学的研究现状宏基因组学作为一门新兴交叉学科，近年来取得了显著的研究进展。
其研究现状主要体现在以下几个方面：技术方法的不断革新：随着高通量测序技术的飞速发展，宏基因组学在样本准备、测序深度和数据分析等方面均取得了显著突破。
比如，新一代测序技术（Next-Generation Sequencing, NGS）使得科研人员能够更快速、准确地获取大量微生物群落的遗传信息。
微生物群落多样性的深入探索：宏基因组学研究已经从最初的描述性分析转向对微生物群落功能的深入研究。
通过对不同环境样本中微生物群落的宏基因组测序，科研人员能够更全面地了解微生物群落的组成、结构和功能，从而揭示微生物与宿主、环境之间的相互作用关系。
疾病机制研究的拓展：宏基因组学在疾病机制研究方面发挥了重要作用。
通过对疾病样本的宏基因组分析，科研人员能够发现与疾病发生发展相关的微生物群落变化，为疾病的预防和治疗提供新的思路和方法。
生态环境保护的应用：宏基因组学在生态环境保护领域也展现出了广阔的应用前景。
通过对不同生态系统中微生物群落的宏基因组研究，可以评估生态系统的健康状况，为生态环境保护提供科学依据。
然而，尽管宏基因组学取得了显著的研究进展，但仍面临诸多挑战。
例如，数据解析的复杂性、微生物群落动态变化的监测以及宏基因组学与表型之间的关联分析等。
宏基因组学技术在微生物功能研究中的应用
宏基因组学技术在微生物功能研究中的应用微生物是一类庞大而复杂的生物群体，其种类繁多、功能多样，与生物圈的平衡和稳定息息相关。
然而，微生物的研究一直都是人类研究生命科学中的的一大难题，尤其是对于不可培养微生物的研究更是无从下手。
宏基因组学技术的发展和应用，为研究微生物领域提供了新的思路和工具。
一、宏基因组学技术的发展与原理宏基因组学是指查找并分析生态系统中所有微生物基因组的学科。
传统微生物学研究方法需要通过细胞培养后进行基因测序，这种方法很难从环境中探索到全部微生物种群，而且并不能提供有关基因组的完整信息。
相比之下，宏基因组学代表了一种更全面、更快速的进口，它可以在环境样品中捕捉整个微生物群落的全貌，进而推导出微生物群落的结构、功能和物种构成等信息。
宏基因组学的核心是基因组序列，但不同于传统的基因组测序。
在宏基因组学中，我们并不直接把从环境中采集的微生物转化为培养体系进行分析，而是将样品DNA进行拆分，并随机抽样测序，从而可高通量地检测出样品中所有微生物DNA 的序列信息。
然后，使用生物信息学手段对海量数据进行处理和分析，最终得到微生物群落基因组的全貌。
二、宏基因组学在微生物功能研究中的应用宏基因组学技术已广泛应用于微生物生态、生命周期研究和微生物的遗传形态与功能分析等方面。
下面我们分别阐述一下。
1. 微生态学方面微生物在生态系统中扮演着重要的角色，微生态系统的稳定与否与微生物的生命周期和功能密切相关。
因此，利用宏基因组学来研究不同生态系统的微生物群落结构及其影响因素,是宏基因组学应用在微生态学研究的典型案例。
宏基因组学技术广泛应用于林地、海洋、土壤、湖泊和肠道等生态环境中的微生物群落的研究。
例如利用宏基因组学技术揭示肠道微生物与免疫系统间的相互作用——不同肠道菌群和肠道免疫细胞之间相互沟通的机制。
2. 微生命周期学方面微生物因其繁殖方式特殊，生命周期相对比较短，因此宏基因组学也成为微生物生命周期研究的重要手段。
水生微生物的基因编辑研究新进展
水生微生物的基因编辑研究新进展水生微生物是一类生活在水体中的微小生物，包括细菌、藻类、真菌等。
它们在水生态系统中扮演着重要的角色，参与着能量循环、物质转化等关键过程。
随着基因编辑技术的不断发展，人们开始探索如何利用基因编辑手段来研究和改良水生微生物，以期更好地理解它们的生物学特性，提高其在环境修复、生物能源生产等方面的应用潜力。
本文将介绍水生微生物基因编辑研究的新进展，包括技术原理、应用前景等方面的内容。
一、基因编辑技术在水生微生物研究中的应用基因编辑技术是一种通过人为干预改变生物体遗传信息的方法，包括CRISPR/Cas9、TALENs、ZFNs等多种技术。
这些技术可以精准地对生物体的基因组进行修改，实现基因的插入、删除、修饰等操作。
在水生微生物研究中，基因编辑技术被广泛应用于以下几个方面：1. 突变体构建：利用基因编辑技术可以构建水生微生物的突变体，通过敲除或改变特定基因，研究该基因在生物体内的功能及其对生物体性状的影响。
这有助于揭示水生微生物的生物学机制，为进一步的研究奠定基础。
2. 代谢途径优化：水生微生物在环境修复、生物能源生产等方面具有潜在的应用前景。
利用基因编辑技术可以优化水生微生物的代谢途径，提高其对特定废水中有害物质的降解能力，或增强其生物能源生产效率，从而实现环境友好型生产。
3. 抗逆性改良：水生微生物在自然环境中常常面临各种逆境，如高温、酸碱度变化等。
通过基因编辑技术可以增强水生微生物的抗逆性，使其在恶劣环境下仍能正常生长繁殖，从而提高其在环境修复等方面的应用效果。
二、CRISPR/Cas9技术在水生微生物基因编辑中的应用CRISPR/Cas9技术是目前基因编辑领域最为先进和常用的技术之一，具有操作简便、高效率、精准性高等优点。
在水生微生物基因编辑研究中，CRISPR/Cas9技术也得到了广泛应用，取得了一系列重要进展： 1. 基因组编辑：利用CRISPR/Cas9技术可以实现对水生微生物基因组的精准编辑，包括基因敲除、点突变等操作。
宏基因组学及其在海洋微生物领域的应用
宏基 因组学及其在海洋微 生物 领域 的应 用 冰
刘 如 运 黄 毅梅
广 东 工 业 大 学 环 境 科 学 与工 程 学 院 ， 广东 广州 ５ １ ０ ０ ０ ６ ） （ １ ．广 东 轻 工 职 业 技 术 学 院 ， 广东 广州 ５ １ ０ ３ ０ ０ ； ２ ．
摘
要： 宏 基 因组 学是研 究生 态群 体基 因功能 和相 互作 用的 新科 学领 域 。 文章从 宏基 因
Ｓ ｃ ｈ ｍｉ ｄ ｔ 等 在 研究 太平 洋微 小浮 游 生物 时 ， 直 接提
取样 品 总 Ｄ Ｎ Ａ， 经 酶切 后通 过 入噬菌体 载 体 克 隆 到
大肠 杆菌 中， 构建 了环 境基 因 （ ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ２—２ ７
绝大 多数 微生 物 的原 始 环 境 条 件 ， 致 使 依 赖 传 统 的
纯培 养 方法 获得 的微 生物 仅 为微 生 物 总数 的 １ ％左
右 ’ 。海 洋 占地 球 表 面 积 的 ７ ０ ％ 以上 ， 相 对 陆地
式 提 出了宏 基 因组 （ ｍ ｅ ｔ ａ ｇ ｅ ｎ ｏ ｎ ｅ ） 的概 念 ， 其 定 义 为 “ 生 物环 境 中全部 微 小生 物 的 基 因组 ” （ ｔ ｈ ｅ ｇ ｅ ｎ ｏ ｍ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｏ ｔ ａ ｌ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｂ ｉ ｏ ｔ ａ ｆ ０ ｕ ｎ ｄ ｉ ｎ ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ） ｏ从此 ， 宏基 因 组学（ ｍｅ ｔ ａ ｇ ｅ ｎ ｏ ｍ ｉ ｃ ｓ ） 成为 研究 微 生 物 复 杂群 落 基 因 组 的重 要方 法 ， 并 被 认 为 是继 显 微 镜 以来 研ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ究 微 生 物 方法 的重 大突 破 。 所 谓宏 基 因组 学 ， 是 以生 态 环境 中全 部微 生 物
基因组学与宏基因组学在微生物研究中的应用及进展
基因组学与宏基因组学在微生物研究中的应用及进展微生物是一类微小且广泛分布的生物，包括细菌、真菌、病毒等。
研究微生物对于人类的生活和健康具有重要意义。
随着技术的发展，基因组学与宏基因组学在微生物研究中的应用逐渐深入。
一、基因组学在微生物研究中的应用基因组学是研究基因组的学科。
基因组是一个生物体内所有基因的总体，包括DNA序列和RNA序列。
利用基因组学技术，研究人们可以对微生物进行深入的研究，了解微生物的基因组结构和功能。
1. 基因组测序基因组测序指的是对微生物的基因组序列进行测定和分析的过程。
通过基因组测序，可以了解微生物的基因组大小、基因数目、基因注释、基因功能等信息，进而推断微生物的生长环境和适应性。
2. 基因组比较基因组比较是通过比较两个或多个微生物基因组序列的相似性和差异性，来了解微生物间的亲缘关系、进化历程和适应性。
基因组比较可以拓展人们对微生物的了解，从而更好地研究微生物的生态、生理和遗传特性。
3. 基因组学应用基因组学在微生物研究中的应用非常广泛。
文献报道了基因组学技术在微生物新种发现、致病微生物的致病机制研究、微生物代谢物生产、环境微生物群落结构分析、微生物质量控制等方面的应用。
二、宏基因组学在微生物研究中的应用与进展宏基因组学指的是对未培养微生物群落的DNA序列进行测定和分析。
它利用DNA序列的信息，可以揭示未培养微生物的遗传多样性、代谢途径和生物合成潜力等信息。
1. 宏基因组学的发展历程宏基因组学技术的发展源于20世纪90年代的环境基因组学。
当时，科学家开始对环境中的微生物进行基因组分析。
但由于微生物多样性较高且未被培养的环境微生物难以分离，传统的基因组测序技术无法对这些未培养微生物进行研究。
为解决这个问题，科学家发展了针对未培养微生物群落的宏基因组学技术。
2. 宏基因组学的应用宏基因组学技术在微生物研究中的应用主要集中在以下方面：(1) 研究微生物群体结构利用宏基因组学技术分析环境微生物群体中不同微生物的DNA序列，可以了解微生物间的亲缘关系、相对数量、生境和生态角色等信息。
微生物生态学研究进展与展望
微生物生态学研究进展与展望微生物生态学作为现代生态学的一个分支，研究微生物与环境的相互作用关系，是一个重要的研究领域。
近年来，随着生物技术的发展以及对生物多样性的进一步了解，微生物生态学的研究也日益深入，本文将从菌群结构、功能和相互作用等几个方面，介绍微生物生态学的研究进展及未来展望。
一、微生物菌群结构的变化微生物菌群是指某一环境下的微生物种类和数量。
菌群结构的变化可能会对环境产生重大影响，因此研究菌群结构的变化十分重要。
目前，研究发现，菌群结构的变化与环境因素密切相关，如温度、湿度、pH值、营养物质等。
在这方面的研究尤其需要对微生物样本进行高通量测序，并利用生物信息学方法加以分析。
近年来，这些技术在不同环境中对微生物菌群的定量和定性研究方面得到了广泛应用。
其中，16S rRNA基因测序技术更是成为了评估微生物多样性的主要手段之一。
进一步的，近年来，人工智能算法逐步渗透到微生物生态学领域，成为微生物生态学分析的新方法，例如利用机器学习算法和神经网络模型进行菌株分类及微生物生态学分析，从而更为深入地解析菌群结构的变化规律。
二、微生物功能与代谢的研究微生物作为自然界中最为基础的生物种类之一，其功能的研究也是微生物生态学发展的重要内容。
微生物对不同环境条件下的适应性研究，可深入探究微生物的多样性和功能的多样性。
微生物的代谢活动对环境的影响是微观和宏观的。
例如，甲烷生成的微生物可以直接影响全球气候变化。
其中，蛋白质组学、代谢组学、基因组学等技术，能够更深层次地研究微生物的代谢途径和代谢产物。
同时，随着微生物代谢能力和基因组学方面的深入研究，人们也开发了许多利用微生物代谢产物的生物技术，如生物法制备化学品、代谢工程等，这些技术为了选择出真正的微生物群体，并深入探究其代谢途径和代谢物也提供了新的方法。
三、微生物间的相互作用微生物之间的相互作用对于控制和维护生态平衡具有重要意义。
微生物在群体中相对定位、不同生产材料的分配、信号交换和协同代谢，等方面会产生重要的相互作用，这些相互作用也是当前微生物生态学研究的热点之一。
宏基因组结题报告
一、项目背景宏基因组学是一种研究微生物群落结构和功能的科学领域，通过分析环境中的微生物基因组，可以了解微生物群落的组成、代谢途径和相互作用等方面的信息。
本项目旨在通过宏基因组学的研究，揭示微生物群落在特定环境中的生态学特征和功能机制，为环境保护、生物能源和生物医药等领域提供科学依据。
二、研究内容本研究主要分为以下几个部分：微生物群落样本的采集和制备：通过采集不同环境下的微生物群落样本，并进行适当的处理和制备，为后续的宏基因组学分析提供可靠的实验材料。
宏基因组学分析：利用高通量测序技术对微生物群落样本进行基因组测序，并对测序数据进行处理和分析，包括基因注释、功能分类、代谢途径重建等方面的工作。
微生物群落结构和功能机制的研究：通过比较不同环境下的微生物群落结构和功能机制，揭示微生物群落在特定环境中的生态学特征和相互作用机制。
微生物资源发掘和利用：基于对微生物群落结构和功能机制的研究，发掘具有潜在应用价值的微生物资源，并对其进行适当的开发和利用。
三、研究成果本研究取得了以下研究成果：揭示了不同环境下微生物群落的组成和代谢途径，为环境保护和生物能源等领域提供了科学依据。
发掘了一些具有潜在应用价值的微生物资源，为生物医药和工业生产等领域提供了新的思路和方法。
建立了一套完整的宏基因组学分析流程和技术体系，为后续的微生物群落研究提供了可靠的实验技术和方法。
四、结论与展望本研究通过宏基因组学的研究，揭示了微生物群落在特定环境中的生态学特征和功能机制，发掘了一些具有潜在应用价值的微生物资源，并建立了一套完整的宏基因组学分析流程和技术体系。
这些成果为环境保护、生物能源、生物医药等领域提供了科学依据和技术支持。
未来，我们将继续深入研究微生物群落的生态学特征和功能机制，发掘更多的具有潜在应用价值的微生物资源，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
2024版海洋微生物的应用与发展
•海洋微生物概述•海洋微生物的应用领域•海洋微生物的研究进展•海洋微生物的资源开发目•海洋微生物的生态功能与环境保护•海洋微生物的未来发展趋势录定义与分类定义分类多样性适应性代谢活性030201海洋微生物的特点海洋微生物的生存环境海水海洋微生物广泛分布于海水中的各个水层，从表层海水到深海底层。
海底沉积物海底沉积物是海洋微生物的重要栖息地，提供了丰富的营养物质和生存空间。
海洋生物体表与体内海洋微生物与海洋生物之间存在共生关系，许多微生物寄生于海洋生物体表或体内。
生物制药抗生素生产酶制剂生产激素和维生素生产生物燃料生物氢气生产生物柴油生产某些海洋微生物可通过厌氧发酵产生氢气，为清洁能源领域提供新的发展方向。
生物乙醇生产海洋生态修复利用海洋微生物的降解和转化能力，对受污染的海域进行生态修复。
污水处理海洋微生物在污水处理中具有重要作用，能够降解有机污染物，提高水质。
大气净化某些海洋微生物能够吸收大气中的二氧化碳等温室气体，有助于减缓全球变暖。
环境保护农业应用生物肥料01生物农药02饲料添加剂031 2 3基因组测序技术基因功能注释比较基因组学代谢物分析技术代谢组学通过对生物体内代谢物的定性和定量分析，揭示生物体的代谢状态和生理变化。
海洋微生物代谢途径研究海洋微生物的代谢途径，可以了解它们如何利用环境中的营养物质进行生长和繁殖。
代谢产物应用一些海洋微生物能够产生具有生物活性的代谢产物，如抗生素、抗肿瘤物质等，具有潜在的应用价值。
蛋白质鉴定技术海洋微生物蛋白质组蛋白质相互作用宏基因组测序技术海洋环境宏基因组宏基因组与生态环境采集方法培养条件菌种保藏采用专业的海洋生物采集器，针对不同海域、水深、季节等条件进行采集。
海洋微生物的采集与培养海洋微生物的基因资源挖掘基因组测序基因功能注释基因工程改造海洋微生物的代谢产物研究代谢产物提取活性筛选结构鉴定海洋微生物的酶资源开发酶种类挖掘酶性质研究酶工程改造与应用海洋微生物通过光合作用和化能作用固定大气中的CO2，将其转化为有机碳，进而参与到全球的碳循环中。
微生物学研究的进展与展望
微生物学研究的进展与展望随着科技的不断发展，人类对微生物学的研究也越来越深入。
微生物作为生物学的一个分支，主要研究微生物的种类、结构、生长及其与环境的关系等方面的内容。
微生物对于人类的生产和健康都有着重要的影响。
本文将从微生物学研究的进展与展望两个方面进行论述。
微生物学研究的进展微生物学的研究已有几百年的历史，但近些年来随着科技的飞速发展，微生物学的研究也取得了一系列重要的进展。
1. 新型微生物的发现随着技术的不断进步，科学家不断发现新的微生物类型。
例如在2019年，中国科学家们通过高通量测序技术和元基因组技术，在青藏高原羌塘高寒沼泽地带发现了一种新的甲烷氧化菌，被命名为“种Candidatus Methylomirabilis oxyfera”。
这种菌能够利用水解谷氨酰丙气和氧气，通过甲烷氧化发酵来合成ACCU。
这一发现对环境保护和资源开发具有重要意义。
类似的，人们在海底、深宅、河流等各种环境中也发现了许多新型微生物。
2. 微生物增强环境治理微生物在生物修复、水处理、土壤改良、固体废物处理等方面的应用也日益广泛。
例如，在废水处理中，人们利用了脱氮菌和脱磷菌来处理有机肥料中排放出的氮磷污染。
同时，利用微生物也可以将有毒的物质转化为无害的物质。
这种方法不仅可以减轻污染对环境的危害，而且还可以循环利用资源。
3. 微生物在医学领域的应用微生物在医学领域的应用主要是针对微生物本身引起的疾病。
例如，人们使用抗生素杀灭细菌所引起的疾病，但随着抗生素的滥用，抗药性细菌的出现已成为一个严重的问题。
而利用微生物控制自身免疫系统异常的疾病，在近年来也开始受到关注。
例如，协同合作的益生菌可以调节肠道微生态平衡和免疫机制。
因此，微生物在药物研发和医学治疗方面都具有重要的意义。
微生物学研究的展望微生物学的发展离不开科技的支持，将来我们可以期待更多的技术可以应用于微生物的研究。
1. 基因编辑技术的应用利用基因编辑技术，可以编辑微生物生长和代谢等方面的基因。
《2024年宏基因组学在环境工程领域的应用及研究进展》范文
《宏基因组学在环境工程领域的应用及研究进展》篇一一、引言宏基因组学（Metagenomics）作为现代生物学的一个分支，在过去的十年中迅速发展并展现出其在各种研究领域的广泛应用。
尤其是在环境工程领域，宏基因组学提供了前所未有的研究工具，用以研究环境微生物多样性、生态系统的功能及其与环境工程的互动关系。
本文将深入探讨宏基因组学在环境工程领域的应用及研究进展。
二、宏基因组学的基本概念宏基因组学是基因组学的一个分支，主要研究环境样品中微生物的遗传物质。
它通过深度测序技术分析环境样本中的微生物DNA或RNA，从而了解环境中的微生物组成、结构和功能。
这种技术可以提供关于生态系统中微生物群落的详细信息，帮助我们理解生态系统的功能和稳定性。
三、宏基因组学在环境工程领域的应用1. 污水处理：宏基因组学可用于研究污水处理过程中微生物的群落结构与功能。
通过对处理过程中的微生物群落进行测序和分析，可以找出提高污水处理效率的优化方案。
2. 垃圾填埋场和土地复垦：通过宏基因组学分析，可以评估填埋场或废弃地的生物修复效果和可能的修复策略。
同时，这种技术也可用于监测复垦过程中的微生物群落变化。
3. 农业生态系统：宏基因组学可以用于研究农田土壤中的微生物群落结构，以优化施肥和灌溉策略，提高农作物的产量和品质。
4. 气候变化与碳循环：宏基因组学可用于研究气候变化对土壤微生物群落的影响，以及微生物在碳循环中的作用，为应对气候变化提供科学依据。
四、宏基因组学的研究进展随着测序技术的不断发展和改进，宏基因组学在环境工程领域的应用越来越广泛。
目前，研究者们已经能够更准确地分析环境样本中的微生物群落结构，并深入了解其在特定环境条件下的功能。
此外，随着计算机技术和生物信息学的发展，数据分析的准确性和效率也有了显著提高。
五、未来展望未来，宏基因组学在环境工程领域的应用将更加广泛和深入。
随着测序技术的进一步发展和优化，我们有望更准确地揭示环境中微生物的多样性、结构和功能。
宏基因组学和微生物组学的研究
宏基因组学和微生物组学的研究随着技术的不断发展和突破，宏基因组学和微生物组学成为了迅速发展的新兴领域，并具有着广泛的应用前景。
这两个领域对于探究生命科学中的各种微观机理具有重要意义，尤其是在生物学、环境科学和医学等方面。
一、宏基因组学的概念宏基因组学指的是对所有生物DNA进行研究的一种新型技术，它是基因组学的一个分支。
与传统的基因组学研究方法不同的是，宏基因组学研究是利用高通量测序技术，直接从自然环境或宿主生物中提取大量不同种类的DNA全基因组序列，并通过计算比对和注释等方式进行分析和解读。
宏基因组学的应用非常广泛，它可以用来研究各种生态系统、环境样品和微生物以及宏体的基因组组成等。
同时，它也可以被用来识别和分类具有重要意义的基因和代谢途径，以及对科学研究和产业应用有着重要意义的微生物群落。
二、微生物组学的概念微生物组学是研究微生物的基因组、组成和功能，以及微生物的角色和影响力。
微生物是指包括细菌、真菌、古菌和病毒在内的生物群体。
微生物在生物圈中具有重要的生态地位，它们能够维持和调控细菌的平衡，也是许多重要生物过程的关键组成部分。
微生物组学以微生物的DNA测序分析为基础，将微生物分类和鉴定工作推向了一个新的高度。
通过分析微生物的基因组序列和代谢通路，微生物组学可以揭示微生物群落的形成和演化过程，同时也有助于发现和利用新的微生物资源。
三、宏基因组学和微生物组学的应用宏基因组学和微生物组学的应用非常广泛，从生态学、医学、食品科学到环境科学等各个领域，都有着重要的应用价值。
1. 生态学领域生态学中，宏基因组学和微生物组学的研究可以帮助研究者深入了解环境中微生物群落的组成和功能，以及微生物和生态系统之间的相互作用模式。
同时，它也能够对环境的变化进行监测和预测，并探究生态系统的恢复和调整机制。
2. 医学领域微生物组学的研究对于临床医学的发展和进步具有非常重要的作用。
通过对宏体和微生物群体的分析和研究，可以更好地了解人体内微生物群落的组成和功能，探究与疾病相关的微生物群落改变机制，发现新的病原体，并且可以用于筛查和开发新的治疗方法和药物。
宏基因组项目报告
宏基因组项目报告一、引言宏基因组研究是一种利用高通量测序技术对不同环境中微生物的DNA进行直接测序，从而获得未经培养的微生物群落的全基因组信息的研究方法。
宏基因组项目旨在揭示细菌、真菌等微生物群落的复杂性和多样性，以及它们在各种环境中的功能特征，为人类提供更多关于微生物界的了解和应用。
二、项目设计本次宏基因组项目选择了一个自然河流水样品和一个土壤样品作为研究对象，采用Illumina HiSeq平台进行测序。
首先，对样品进行DNA提取，并进行多次PCR扩增，得到足够的片段数目进行测序。
然后，对测序得到的片段进行质量控制和去除低质量序列、接头序列和宿主DNA。
之后，使用比对软件将高质量测序读序比对到相关数据库，如NR、Kegg等，分析序列的生物学功能、多样性等。
三、结果分析1.宏基因组的物种多样性分析通过序列比对和分类，我们发现水样品中含有大量的细菌，真菌和病毒等微生物，其中以细菌为主要成分。
而土壤样品中细菌的数量明显高于真菌和病毒。
此外，从解析结果中，我们还发现了一些未知物种，这些物种可能是新的微生物，为我们探索未知微生物的多样性提供了线索。
2.宏基因组的功能分析通过对序列的注释和比对，我们可以了解微生物群落的功能特征。
我们利用Kegg数据库进行宏基因组的功能注释和代谢通路分析，发现了许多参与碳、氮、磷循环等重要代谢通路的微生物，并对其基因编码产物进行分析和功能预测。
此外，我们还发现了一些与环境适应性和生存竞争力相关的基因。
3.宏基因组的群落结构分析通过对序列的分析，我们还可以了解微生物群落的结构特征。
我们使用OTU(Operational Taxonomic Unit)对宏基因组的群落结构进行了描述和分析，发现了丰度较高的菌群，并推断其在不同环境中的生态角色和相互之间的相互作用。
此外，通过构建菌群之间的共生和拮抗网络，我们可以了解不同微生物之间的互动关系，从而进一步探究宏基因组在生态系统中的功能和影响。
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基因组工程与海洋生物学进行有机的结合， 促使人类了解许
［&］ 多未培养海洋微生物的基因组序列及其功能产物 ， 这方面
的飞速发展揭开了海洋天然药物研究的新篇章， 同时， 在海 洋极端环境微生物研究、 海洋微生物多样性探索中具有十分 重要的应用前景。该领域近几年发展非常迅速， 大规模的海
［&］ 洋宏基因组测序工作提供了大量 JE/ 序列方面的数据 。
中绝大多数微生物或者从来没有经过实验室培养， 或者至今无法培养， 因而其分类地位及其生态学功能尚未为人 类所认识。随着 0&B CDE/ 序列分析与系统分类学的广泛应用， 海洋微生物多样性研究领域已经发生了很可观的改 变， 这些变化极大的丰富了人们对的微生物多样性及其生态功能的认识和理解。这里结合笔者近十年来的工作实 践， 讨论近年来在海洋微生物资源开发利用方面的研究进展， 提出一个带有自动化特征的宏基因组功能表达平台， 探讨海洋微生物资源利用的新途径。可以预见在不久的将来， 海洋环境宏基因组工程研究将在一定程度上使得传 统未培养海洋微生物基因资源及其功能产物能够为人类所开发和利用。 关键词：宏基因组学； 微生物多样性； 海洋药物发现； 细菌人工染色体 中图分类号： F"(； F1## 文献标识码： / 文章编号： %%%05&$%1（$%%"）%#5%’!(5%& 基因库 （G-,.7,H） 中不断增加的 0&B CDE/ 及基因组序列数据 库， 为微生物系统分类提供了相当丰富的种源信息。目前微 生物学界所公认的原核生物分类系统中， 原来 00 个单列的
［$%， $3］ 的克隆载体如粘粒和 H+).(’ 等 ， 从 : $3"GE <67 片段）
环境样品如土壤和海洋底泥中未知生物群体中分离 <67， 建 进而一方面通过 $34 -<67 研
海洋微生物宏基因组工程进展与展望
李 翔0 ， 秦 岭0 ， 戴世鲲0 ， 姜淑梅0 ， 刘志恒$
（0 中国科学院南海海洋研究所 海洋药物重点实验室 （ 中国科学院微生物研究所
$
广州
’0%#%0）
北京
0%%%(%）Biblioteka 摘要： 据初步统计， 生活于海洋环境包括大洋深处的微生物有 0%% 万种以上， 构成了一个动态的遗传基因库， 其
李
翔等：海洋微生物宏基因组工程进展与展望 N O 微生物学报 （!""#） （1） ;#
%;0
及其所具有的难以预测的潜力和应用价值。
通过对海洋微生物多样性和生物活性物质多样化的研 究表明， 探索和开发新的方法和途径分离培养海洋环境中的 新型微生物种群， 辅之以世界一流的生物活性筛选和化学结 构与功能分析方法， 必将开辟全新的次生代谢产物资源用于 天然药物的研究开发。对于至今难于培养的海洋微生物来 说， 我们认为其基因资源表达产生的功能多样性研究可以提 供线索， 这一点正如过去 $" 年来对土壤生态系统中不同代 谢产物研究取得的成功一样。海洋环境与土壤环境的未培 养微生物具有相似的特点， 例如， 绝大多数海洋环境微生物 难于培养， 高度的营养竞争， 以及方法学上的研究滞后等。 经过近 $" 年的研究发现， 未培养微生物的代谢产物能够借 助以细菌人工染色体 （ 879） 作为克隆和表达载体的宏基因 组克隆技术， 在异源寄主中成功表达， 从而使人们初步了解 这些难于正 常 培 养 的 微 生 物 的 次 生 代 谢 产 物 与 生 物 学 功
究主要由美国、 加拿大的工业生物技术研究公司 <(>,-)= I@*、 并取得了 J,--=K,@ <()*+>,-L I@* 和 9C-+.+M+., 尝试性开展， 一些 技 术 突 破 和 关 键 成 果。 与 此 同 时，发 现 了 包 括
［#］ ， 其中， 三类源自于海洋微生物 性和生物活性的天然产物
的药物已经投放到国际药品市场。与此同时， 研究人员正对 十多种源自 海 洋 的 药 物 进 行 临 床 试 验 和 临 床 前 期 实 验 观 察
［&］
， 其中包括来自于海绵共生微生物和海洋底泥微生物的 长期以来， 人们怀疑早先从海洋无脊椎动物中分离的很
［$"］
概念， 泛指某一自然环境中全部微生物的基因组群 （ AC, 。其研究策略克 B,@+.,) +D AC, A+A=/ .(*-+E(+A= D+F@’ (@ @=AF-,） 服了绝大多数环境微生物难于通过一般实验室分离培养的 现实。目前， 相关研究主要集中在探索微生物的基因序列， 着重通过 $34 -567 基因序列的系统进化研究， 使环境微生 物的多样性分析趋于完整客观。而我们这里所提出的宏基 因组海洋药物开发平台 （图 $） ， 通过结合宏基因组工程与海 洋生物学， 形成一项旨在揭示海洋环境中微生物宏基因组特 点并用于发现新药物的研究计划。 细菌人工染色体 （ 879能 克隆高达 3%"GE 的大片段 <67 并稳定保持包括真核生物和 原核生物等不同来源的 <67 不发生遗传变异。基于 879 载 体的宏基因组克隆表达是一种具有相当优势的研究方法。 这对天 879 克隆株可以在同源和异源寄主中进行功能表达， 然产物药物开发尤其重要， 因为在生态系统包括海洋环境中 难于培养 的 微 生 物 占 优 势 地 位， 借 助 这 一 技 术， 可以绕过 “实验室培养” 这一长久面临的挑战。 宏基因组克隆表达技术利用 879 或其它大片段 <67 （1%
基金项目： 中国科学院 “引 进 国 外 杰 出 人 才” （百 人 计 划） 项 目； 国家科技支撑计划项目 （ $%%&./.01.%$ ） ； 广东省科技计划项目 （$%%&.#&’%0%%!） 作者简介： 李 ， 男， 湖北人， 研究员， 研究方向为海洋微生物学、 组合生物学、 系统分类与进化。 3-4： 翔 （01&$ 2 ） (&5$%5(1%$#%0#； 678： (&5$%5 (!!’0&"$； 95:7;4： 4;8;7,<= >?>;@A 7?A ?, 其他作者： 欧阳永长0 收稿日期： 接受日期： 修回日期： $%%&50050"； $%%"5%05#%； $%%"5%050(
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宏基因组克隆表达技术与海洋药物开发平台
［$;］ 由 <=>(,) 等 所 创 导 的 宏 基 因 组 工 程 技 术 ，为
［ ］ 提出了宏基因组 （.,A=B,@+.,） 的 ?=@’,/).=@ 等 ! 系统归纳后，
产物药物开发的一个重要目标。目前， 很多资源已投入这个 领域的研究前沿， 期望解决对新颖抗生素类药物和其它高效 天然药物越来越迫切的需求， 用于治疗如心血管疾病、 癌症 和其它新的突发性的疾病， 如 !""1 年大规模爆发的非典型 肺炎和现今常见诸于东南亚报端的禽流感等等。此外， 病原 菌对现有药物抗药性和耐药性的不断增强， 尤其是具有多重 抗药性病原菌的频繁出现， 使得目前抗生素类药物在新颖性 和多样性上的储备显得越来越不足， 人类在治疗感染性疾病 方面近 %" 年来的优势正在丧失。这一切都更加彰显了海洋 天然药物研究开发的重要性。 然而， 和国际药品市场上众多的土壤来源的天然药物相 比较， 海洋天然药物无论是在数量上还是在应用范围上都有 很大的差距， 其根本原因在于下述 1 个方面。 !"! 海洋生物活性产物的痕量存在 由海洋生物 （包括微生物） 产生的生物活性物质在海洋 小生态系统中存量极微， 比如在海绵中， 生物活性物质通常 仅痕量存在。大规模的样品采集和化合物分离提纯难度很 大， 难以满足临床前期和临床实验的最低需求。 !"# 海洋生物活性物质难于化学合成 很多海洋化学物质具有独特的结构特点， 目前尚缺乏经 济有效的化学合成途径， 不能进行有效的人工生产。 !"$ 产生活性物质的海洋微生物难于人工培养 大多数产生活性产物的海洋微生物在现有实验室条件 下尚不能培养， 少数能培养的海洋微生物培养周期超长， 这 些问题已经困扰科学家很多年。根据早期的研究结果推断， 超过 002 的海洋微生物在目前可提供的培养条件下不能人 工培养， 从海洋底泥和海洋生物海绵中随机克隆的 $34 -567 基因序列分析所得到的系统发育数据也支持这个推断
宏基因组 （:-I7<-,@:;?>） 工程， 直接将特定环境中的总体 遗传物质， 相关基因 （簇） ， 避 开了环境微生物分离培养的难题， 在挖掘和利用未培养微生
［’］ 物资源， 筛选新颖生物活性物质方面具有极大的潜力 。宏
替斯利得 （ ’()*+’,-.+/(’,） ， 临床试验结果非常令人鼓舞。 多生物活性物质是由与其共生的微生物产生的。比如我们 熟知的无脊椎动物海绵和海鞘就与多种多样的细菌群形成 共生体， 它们产生的天然产物与一些相关陆生微生物产生的 天然产物具有高度的结构相似性， 最近的研究成果也充分证
［0， $"］ 明了这个推论 。因此， 海洋环境中的化学多样性是天然
［0， $］ “门” 的设定 已经为 ’# 个分类学意义上 “门” 的系统分类 ［#， !］ 所取代， 形成了现代微生物学的分类学基础 。
从 01$1 年发现青霉素以来， 人们已经从微生物中开发 了一百多种临床使用的抗生素， 抗癌和抗病毒药物。然而， 近几年来人类病原菌抗 （耐） 药性迅速发展， 新的传染病隐患 日益加深， 但是从可培养微生物中发现新型生物活性物质的 研究却趋于停滞， 为此科学家们将研究的重点从陆地微生物 转移到海洋微生物， 希望在海洋药物开发方面突破药物来源 方面的瓶颈， 从而高效而可持续开发利用浩瀚海洋中丰富的 微生物资源。 复杂多变的海洋环境赋予了海洋微生物在物种资源、 基 因功能和生态功能上无与伦比的生物多样性， 可持续开发和 利用这些特殊环境下的微生物资源是工业生物技术开发的 一个全新领域， 也是人类寻找新型功能活性物质和天然药物 的天然宝库， 具有广阔的开发应用前景。由于在海洋微生物 群体中大量难培养的微生物占优势地位， 并且对于它们的新 陈代谢相关知识缺乏了解， 要完全理解这种相互作用还需要 时间。 过去十多年在海洋微生物培养和高新生物技术上的发 展， 特别是在基因组相关技术上的飞速发展， 为我们从分子 水平上了解海洋微生物及其生态功能多样性提供了诸多的 便利。随着 0&B CDE/ 序列分析与系统分类学的广泛应用， 以及不依赖于标准微生物培养技术的基因克隆等相关技术 的快速发展， 海洋微生物多样性研究领域发生了根本性改 变， 这些变化极大地丰富了我们对微生物多样性的认识。在