宏蛋白质组学_探索环境微生态系统的功能.pdf

应用与环境生物学报 2008,14(2):270275Chin J Appl Environ B iol=ISSN 10062687X2008204225收稿日期:2007201225 接受日期:20072042173 国家自然科学基金项目(No.50678165)Supported by the NationalNatural Science Foundation of China(No.50678165)3 3 通讯作者Corresponding author(E2mail:)宏蛋白质组学:探索环境微生态系统的功能3郝 纯1,2 刘庆华1 杨俊仕1 李旭东13 3(1中国科学院成都生物研究所 成都 610041)(2中国科学院研究生院 北京 100049)摘 要 宏蛋白质组学是近年来新出现的一种概念和研究技术,虽然现在已经开展的宏蛋白质组学的研究很少,但是在特殊极端环境中功能基因表达、特殊功能蛋白质的开发、生态元素循环等研究领域,宏蛋白质组学已经初步展示了其强大的功能.通过介绍并对比宏蛋白质组学常用研究技术和策略的优劣,发现在进行宏蛋白质组研究时,要根据研究对象和目的选取合适的研究技术和策略,才能达到预期的研究目标.宏蛋白质组学已经在少数生态环境的功能研究中取得了成功,也必将在深入认识环境微生物群落功能、新环境标志物发现和环境微生物相互作用等方面起到更大的作用.图1表1参41关键词 宏蛋白质组学;环境微生物;蛋白质组学;微生物群落功能;微生态CLCQ938.15X81M etaproteom ics:Exploration of the Functions ofM icrobial Ecosystem s3HAO Chun1,2,L I U Qinghua1,YANG Junshi1&L IXudong13 3(1Chengdu Institute of B iology,Chinese Academy of Sciences,Chengdu 610041,China)(2Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)AbstractMetaproteomics is a new research field and is useful to study the functions of microbial ecosystems.Though fewstudies on metaproteomics have been done till now,the studiesonmetaproteomics already show its power in the fields of detec2ting functional gene expression and developing proteins with special functions.The commonly used research techniques andmethods ofmetaproteomics are introduced,but it is i mportant to choose and use the right techniques andmethods in order to a2chieve research goals.It is believed that the studies on metaproteomics based on various molecular biological tools have beensuccessfully used in functional analyses in some environmental ecosystem studies,and will surely help to understand the func2tional gene expression in microbial ecosystems.Itwill also play a greater role in discovering new environmental biomarkers andstudying the interaction among environmentalmicrobes.Fig 1,Tab 1,Ref 41Keywordsmetaproteomics;environmentalmicrobe;proteomics;function ofmicrobial population;microbial ecosystemCLCQ938.15X81 随着人类基因组计划的提前完成,后基因组学时代已经来临.1994年,澳大利亚Macquarie大学的W ilkins和W illhams提出了蛋白质组(Proteome)的概念,即一个基因组所表达的所有蛋白质,或细胞、组织或机体在特定时空所表达的全部蛋白质1.1998年,Handels man等人提出了宏基因组(Metage2nome)的概念,其最初含义是土壤微生物区系中全部遗传物质的总和2,目前一般指特定生境中细菌和真菌的基因组总和3,4.2004年,Rodriguez-Valera根据宏基因组学的概念提出了宏蛋白质组(Metaproteome,或称元蛋白质组学),指环境混合微生物群落中所有生物的蛋白质组总和5.本文主要介绍宏蛋白质组学的研究现状、常用研究方法、所面临的机遇和挑战,并对其运用进行了展望.1 宏蛋白质组学的由来和研究现状1.1 宏蛋白质组学的由来自从1994年蛋白质组的概念被提出以后,蛋白质组学的研究就如火如荼地开展起来了,但其研究主要集中在医学、药物开发和一些模式生物等领域6.近年来,人们已经意识到微生物在自然界中的重要作用,它们是生态系统中各种元素循环不可或缺的一环5,7,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.早期环境微生物研究主要依赖于纯培养技术,在过去的25 a中,依靠纯培养技术所进行的研究揭示了一些有关环境微生物的组成及其多样性的信息8,9.但是,环境微生物仅有一小部分可培养,其余大多数为未培养微生物10,宏基因组学的出现部分弥补了传统研究方法所存在的局限性.宏基因组学研究主要指直接提取环境样品中的总DNA,并对其进行各种研究分析.通过使用各种宏基因组学研究技术1115,研究人员在微生物种群结构和自然生存环境的研究中取得了很大的成功,但是其弊端也显现出来:由于重复基因的存在、基因表达的时空特异性和蛋白质修饰作用等原因,复杂环境条件下环境微生物基因特异性表达及其功能并不能通过宏基因组学的研究得到揭示,而这种信息往往是生态环境中最重要的部分,宏蛋白质组学的出现弥补了这个弊端.1.2 宏蛋白质组学的研究现状1.2.1 宏蛋白质组学在废水生物处理中的研究 现在,越来越多的生物全基因组序列和各种生态环境中宏基因组序列被测定并公开,各种蛋白质序列及其数据库也逐渐丰富,这都为宏蛋白质组的研究提供了基础,越来越多的有关宏蛋白质组的研究开展了起来1618.1999年,南非的Ehlers等人直接提取活性污泥处理系统中的总蛋白质,并运用SDS2PAGE技术对其34 wk的运行状况进行了监测19.通过对电泳条带的相似性分析,他们发现在处理系统中的总蛋白质变化很小,预示了在实验过程中活性污泥微生物结构的稳定.W ilmes等人首次以具有生物除磷功能的活性污泥为研究对象,研究了一个完整的废水除磷处理过程中活性污泥蛋白质组的变化7.生物除磷在废水处理中已经得到了广泛的运用,但是很多有关其中微生物及生物化学变化的信息是未知的.该研究设计整个处理过程是以SBR(厌氧2 h,好氧3.5 h,撇水015 h)形式运行,分别研究厌氧初期(20 min)、厌氧末期(120 min)、好氧初期(160min)和好氧末期(330 min)活性污泥宏蛋白质组表达情况.通过对比实验结果,发现除磷效果好的反应器相比于除磷效果差的反应器,其厌氧和好氧段的污泥表达的蛋白质相差不大,预示着聚磷菌在厌氧好氧交替的条件下相对稳定的蛋白质表达有利于生物除磷的进行7.利用各种质谱技术对一些短肽片断测序,再结合越来越丰富的宏基因组数据库,可以大大方便宏蛋白质组学的研究.据估计,利用Mascot算法,通过对比多肽质量指纹和DNA序列,在所有通过2D电泳得到的蛋白质中,大约其中30%可以鉴定其来源和功能20.通过这种方法,许多以前被认为与生物磷降解有关的蛋白质得到鉴定,其中包括潜在的磷酸盐选择性细胞膜孔蛋白、与多羟基链烷酸酯(PHA)合成有关的蛋白质等.W ilmes等人首次展现了宏蛋白质组学技术在探索环境微生物的特殊功能方面的巨大作用.相对于宏基因组,宏蛋白质组的研究可以更直观地得到有关废水处理中微生物生物功能及其变化的信息.如果结合宏基因组研究,发挥它们各自的优点,可以更好地揭示生态环境中微生态的奥秘.1.2.2 宏蛋白质组学在环境微生物生态功能中的研究 Jinjun Kan等人以Chesapeake海湾海水微生物群落为研究对象,比较了该海湾不同流域(上、中、下游)海水中微生物群落宏蛋白质组表达上的差异18.该研究是在Chesapeake海湾的上、中、下游水域分别取样(在上游两次取样),对这4个样品提取其总蛋白质,通过2D电泳发现在该海湾不同水域的宏蛋白质组有较大的差异,其中差异最大的(上游和中游)竟然达到了7118%,而在上游取的两次样品之间宏蛋白质组差异为813%.通过对其中有表达差异的7种蛋白质的质谱分析,并与已知数据库比对,其中有4种蛋白质没有任何匹配的记录,说明该研究方法在发现未知蛋白质方面具有巨大作用.用DGGE技术对所采集样品的微生态结构进行研究并对比宏蛋白质组的实验结果,发现宏蛋白质组的差异很有可能是由于样品间微生态结构不同所造成的.Jinjun Kan等人将宏蛋白质组学和宏基因组学初步结合,探求了环境微生物的种群结构和其功能的关系,显示了这种两个“组学”结合研究的优越性.Schulze等人研究了分离于森林湖泊及土壤中溶解态有机物(Dissolved organic matter,DOM)的各种蛋白质,希望找到与生态碳循环有关的细胞外蛋白质16.他们的研究发现,分离于森林湖泊的蛋白质有78%来源于细菌,而分离于森林土壤的只有50%.在落叶林中,随着取样的土壤深度增加和土壤有机碳含量的降低,在数据库中有匹配记录的蛋白质从75种减少到28种.在冬天,有匹配记录的蛋白质数量比在夏天多大约50%.在云杉林的研究中,环带切除树皮并以此阻止碳元素运输到根际的云杉根际土壤比正常的根际土壤蛋白质减少了50%.从森林土壤中还分离到了纤维素酶和漆酶,说明土壤有机物的分解发生在土壤颗粒表面的生物膜上.该研究表明了可以通过对胁迫环境下宏蛋白质组的研究,获得其相应的“蛋白质指纹”.值得注意的是,该研究是以胞外的分离于溶解态有机物的蛋白质为研究对象,没有涉及到湖泊和土壤中微生物胞内的蛋白质.Schulze等人的工作是首次将宏蛋白质组学运用于生态元素的循环研究上,得到了很多有趣的结果,显示了宏蛋白质组学研究在揭示生态环境功能上的作用.1.23 宏蛋白质组学在极端环境微生物中的研究 各种各样的极端环境微生物是宝贵的生物资源之一,可以通过对它们的研究开发一些特殊功能的酶类,并揭示一些特殊的代谢途径.美国加州大学伯利克分校的Banfield等人成功地将宏蛋白质组学和宏基因组学的研究结合起来对极端环境微生物进行了研究17.他们以生长在硫铁矿极端环境中(pH018、温度42、高浓度重金属)的生物膜为研究对象,利用“鸟枪”法和质谱技术,对生物膜中的蛋白质进行了分析2123.群落分析显示,该生物膜主要由Leptospirillumgroup II组成,另外还包含Leptospirillumgroup III,Sulfobacillus和与Ferroplasm a acidar m a2nus及与“G2plasma”有关的古细菌.利用先前已经得到的该生物膜的宏基因组数据15,研究人员建立了一个包含12 148种蛋白质的数据库,研究人员通过对比实验获得的蛋白质的质谱信息,把蛋白质进行归类,通过严格的筛选,最后2 033种蛋白质被鉴定,其中48%来自于在生物膜中占主导地位的Leptospi2rillumgroup II.在所有被鉴定的蛋白质中,含有很多与适应极端环境有关的蛋白质,比如细胞色素579(Cyt579),其对于金属离子氧化及酸性环境的形成都极其重要.在所有的胞外蛋白质中,表达量最大的3种均由功能不明的基因编码并表达.Banfield等人成功地利用其研究成果构建了在这种极端环境下能量和物质的代谢循环模式图,充分显示了宏基因组学和宏蛋白质组学结合研究的强大力量.尤其是其先建立了该生物膜较完整的宏基因组数据库,然后基于该数据库进行宏蛋白质组学的研究,可以使得到鉴定的蛋白数量大大增加(表1).以上各种有关宏蛋白质组的研究虽然研究对象不同,方法各异(表1),但都显示出宏蛋白质组研究在了解生态系统功能上的重要作用.1722期郝 纯等:宏蛋白质组学:探索环境微生态系统的功能表1 目前报道的各种宏蛋白质组研究对比Table 1Comparison of the recent studies on metaproteomics生态系统Ecosystem研究方法Studymethods得到蛋白质的数量Number of obtained proteins参考文献Refs具有除磷效果的活性污泥Activated sludge2D2PAGE+MALD I2ToFMS,Q2ToFMS+Protein identificationAbout 7007Chesapeake海湾Chesapeake Bay2D2PAGE+MALDI2ToFMS,LC2MS/MS+protein identificationAbout 20018 森林、湖泊及土壤Soil,lake&forestSDS2PAGE+LC2MS/MS+protein identificationAbout 70316 黄铁矿渗漏出的酸性水AMD biofilmLC2MS/MS+protein identification203317 3 仅为从溶解态有机物中分离的胞外蛋白质3The number presents the extracellular proteins thatwere only isolated from dissolved organic matter(DOM)2 宏蛋白质组的研究策略宏蛋白质组的研究策略和经典的蛋白质组研究策略相似,一般包括环境总蛋白质提取纯化、蛋白质分离及鉴定和数据对比处理3个步骤(图1).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;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)方法,蛋白质鉴定一般采取各种质谱分析方法;最后的蛋白质数据对比则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2427.2.1 环境总蛋白质的提取纯化与经典的蛋白质组研究方法相比较,宏蛋白质组研究在总蛋白质提取这一步骤上稍有差别28.宏蛋白质组学的难点及关键问题之一就是复杂环境样品中总蛋白质的提取及纯化.宏蛋白质组的研究对象是复杂的生态环境中所有的蛋白质,由于环境样品的复杂性,不同环境中其组成的微生物有着极大的差别,现有的各种总蛋白质提取方法的提取效果都不尽人意18,还没有一种提取环境总蛋白质的通用有效的方法,一般来说,环境样品需要更为剧烈的细胞破碎方法;另外,由于生态环境中一些具有重要功能的蛋白质很多是低丰度蛋白质,如何在提取和纯化的时候不至于丢失这些重要的蛋白质也是现在宏蛋白质组学的难点.在Jinjun Kan等人以Chesapeake海湾海水微生物群落的宏蛋白质组研究中,比较了单一纯菌株、人工混合多种菌株及环境样品总蛋白质提取效果18,结果显示人工混合多种菌株及环境样品总蛋白质SDS2PAGE胶电泳的条带都没有单一纯菌株的清晰.同时,通过对单一纯菌株和人工混合多种菌株总蛋白质的2D2PAGE电泳考察了总蛋白质提取策略对不同样品的选择性,结果表明其提取策略对人工混合多种菌株中每一株细菌都有破碎提取蛋白质的效果.另外,通过分析单一纯菌株和环境样品提取的总蛋白质的量及其样品的细胞数量的关系,表明环境样品的单细胞蛋白质提取量(即总蛋白质的量与其样品的细胞数量的比值)要明显低于单一纯菌株.W ilmes等人在对具有生物除磷功能的活性污泥的研究中,考察了不同的细胞破碎方法、不同的洗涤及破碎缓冲液、不同的总蛋白质沉淀及再溶解方法对提取效果的影响,最后确定了一种适合活性污泥的总蛋白质提取方法7.本实验室的研究表明,在以前研究中常常被忽略的细胞外生态环境中存在着许多蛋白质,以前宏蛋白质组学的研究缺少对这部分蛋白质的提取和分析(未发表).细胞外蛋白质也应该是宏蛋白质组学重要的研究对象,其具有一些特殊重要的功能16,所以对细胞外蛋白质的研究也不应该忽略.鉴于宏蛋白质组学研究对象的组成十分复杂,本实验室研究结果建议对其进行分组分收集纯化(未发表),即分细胞外蛋白质和细胞内蛋白质分别提取,分别研究.总之,在进行宏蛋白质组学研究中要根据自己研究的对象,选择合适的提取环境总蛋白质的方法.2.2 环境总蛋白质分离2.2.1 环境总蛋白质的2D电泳分离 1975年Ofarrell和Klose等人首先建立了二维聚丙烯酰胺凝胶电泳技术(Two2di2mensional polyacrylamide gel electrophoresis,2D电泳),也称双向凝胶电泳.2D电泳第一向为IEF,根据蛋白质p I进行分离;第二向为SDS2PAGE,根据蛋白质分子量大小进行分离29,30.用于宏蛋白质组的2D电泳和经典的蛋白质组研究所用的2D电泳大致相同.在2D电泳中,一张凝胶上可以得到大约1 000个蛋白质点.将不同环境下的样品分别进行2D电泳,再将它们的2D电泳图谱进行比较,可以获得在相应环境下发生改变的蛋白质的信息,我们可以称之为“比较宏蛋白质组学”.2D电泳后凝胶上的蛋白质点可以切割纯化,以便进行后续的研究.2D电泳可以清晰直观地呈现样品整个宏蛋白质组中特定蛋白质变化的信息,比较适合快速寻找一些特定环境下的生物标志物31、分析受胁迫环境下宏蛋白质组的变化等研究.2.2.2 环境总蛋白质的色谱分离 在对环境总蛋白质提取纯化后,另一个对总蛋白质进行分离的常用方法是色谱法.色谱法又称层析法,其原理是溶于流动相(Mobile phase)中的各组分经过固定相(Stationary phase)时,与固定相发生相互作用(吸附、分配、离子吸引、排阻、亲和等),由于作用的大小、强弱等不同,各组分在固定相中滞留的时间不同,由此从固定相中流出的先后顺序也不同,并最终使流动相中不同组分得到分离.常用于蛋白质组学研究的是液相色谱32,这种方法同样适合于宏蛋白质组学的研究.一般进样前,蛋白都需要经过蛋白酶消化成短肽33.色谱分离法虽然没有2D电泳的高分辨率和直观,但是其分离效果要优于2D电泳,可以得到十分精确详细的蛋白质信息,色谱分离法比较适合“表达宏蛋白质组学”的研究,即对某个样品中所有表达的蛋白质进行研究.2D电泳和色谱两种环境总蛋白质分离策略各有优劣:2D电泳分离直观方便,能分离千余种蛋白质,但其技术复杂,操作费时;色谱法操作方便迅速,但是不直观,很难对有差异表达的蛋白质进行确定,其分辨率也不太高.但是,在对生态环境中低丰度蛋白质的分离鉴定上,色谱分离法相比电泳分离有很大的272 应 用 与 环 境 生 物 学 报 Chin J Appl Environ B iol 14卷优势.如何克服环境总蛋白质分离中的各种弊端也是宏蛋白质组学面临的挑战.现在已经有研究将凝胶和色谱分离串联使用18,取得了一些效果,但是还是没有完全克服它们的缺点,如何精确地分离出单一蛋白质并获得其表达数量的信息是以后宏蛋白质学研究方法需要解决的重点难题之一.2.3 环境总蛋白质鉴定及数据处理和经典蛋白质组学肽段鉴定方法一样,环境总蛋白质经过分离后一般也是用各种质谱的方法进行鉴定的34.比较常用的有基质辅助激光解析电离时间 2 飞行质谱(MALD I2ToFMS)35、四极杆 2 飞行时间串联质谱(Q2ToF MS)及串联质谱(MS/MS).在Jinjun Kan等人对Chesapeake海湾海水微生物群落的宏蛋白质组研究中,研究人员比较了MALD I2ToF MS和MS/MS在鉴定环境蛋白质样品的能力,指出利用MALD I2ToFMS得出的数据在处理中由于其对数据库的要求过于严格而并不适合对环境蛋白质样品分析18.图1 目前宏蛋白质组研究策略Fig.1Metaproteomic analysis strategies在宏蛋白质组的研究中,确定一个目标蛋白质的系统发育地位及功能是最有意义的一项工作5,15,35,36.在对蛋白质进行质谱鉴定后,我们得到的仅仅是肽段序列或者分子量这样的信息,通过去特定的数据库进行搜索比对,可以确定所获得的蛋白质的确切信息36,37.目前可以供我们进行搜索对比的数据库很多,可以根据具体研究的对象挑选合适的数据库进行搜索.数据库中蛋白质来源和待搜索的蛋白质来源相似性越高,其得到确切结果的几率也越高.例如,Banfield等人研究黄铁矿渗漏出的酸性水表面的生物膜宏蛋白质组时,先对同一研究对象的宏基因组进行研究,得出大量该生物膜的核酸序列数据,并以此建立宏蛋白质数据库,通过对比实验得到的肽段,最后有2 033种蛋白质得到了鉴定17.许多研究已经表明,在蛋白质组学的研究中,蛋白质的鉴定是最关键重要的一步3739.现在已有的蛋白质数据库中的蛋白质大多来源于已培养微生物,数据库中包含的未培养微生物蛋白质的信息非常少,这是现在宏蛋白质组学研究面临的一个重大问题,因此,丰富宏蛋白质组数据库是目前急需解决的问题.现在,宏蛋白质组的研究才刚刚起步,经过世界各地研究机构的努力,宏蛋白质组数据库将能够像宏基因组数据库一样随着研究的深入得到极大的丰富.3 宏蛋白质组学研究展望正如前面所述,在环境微生物的研究中可以使用宏蛋白质组学研究技术对微生态的结构和功能进行研究.在基因组、转录组、蛋白质组、代谢组这4个研究层次中,蛋白质组学是最直接的对特定环境和时刻中生物功能本质的研究,这种研究具有巨大的生物学意义.尽管现在只开展了少数的宏蛋白质组学研究,但是其在环境微生物研究中的巨大作用已经显现出来了.虽然在现在看来,完全阐述环境样品中包含的所有蛋白质的功能是很难达到的,但是宏蛋白质组学已经提供了一种对环境样品中总蛋白质进行研究的有效方法.在得到一些我们感兴趣的蛋白质后,如何阐述其在生态环境中的功能及其作用方式,将是今后研究的热点之一.蛋白质组学的内容包括3个部分:表达蛋白质组学(研究特定细胞、组织或器官中蛋白质表达种类和量的变化,以及不同时期的表达谱的改变等),结构蛋白质组学(以阐明生物大分子的三维结构和功能的关系特性为目的)和功能蛋白质组学(研究细胞在各种生理和病理条件下蛋白质之间的相互作用关系及其调控网络,以及蛋白质的转录后修饰等).同样宏蛋白质组学的研究也应包括以上3个方面,尽管目前只进行了表达宏蛋白质组学方面的研究.3.1 宏蛋白质组学在环境微生物功能研究中的应用展望宏蛋白质组研究可以探索并揭示环境中许多未知但具有重要作用的蛋白质.微生物在自然界元素循环及一些极端环境的形成中有着重要的作用,而自然界中有很多微生物是未培养微生物,要单独对其进行研究很困难,宏蛋白质组学以整个微生物群落为研究对象,克服了未培养微生物对研究造成的障碍.利用宏蛋白质组研究技术,可以对具有特殊功能的微生物群落的功能进行直接研究,探索其特殊功能的生物学本质.现在宏基因组学研究中得到的许多序列包含了大量的未知功能的基因,这些功能基因在一些未知的功能系统中也许有很大的作用,宏蛋白质组学在这些领域可以显示其价值.比如在环境污染的治理中,微生物起着举足轻重的作用,如何保证特效微生物在治理过程中稳定高效的发挥作用是目前困扰环3722期郝 纯等:宏蛋白质组学:探索环境微生态系统的功能境工作者的一个难题.通过对相应的环境系统进行宏蛋白质组学方面的研究,观察微生物在治理过程中总蛋白质的变化情况,从这些变化中一方面可以获得对微生物处理系统的工作状态的标志物,另一方面可以获得某些污染物的特效酶,对这些酶进行结构学方面的研究,获得其催化活性中心,通过对酶结构的改造,增强其催化活力,可生产新的具有超强降解能力的酶制剂.在废水生物处理过程中,活性污泥在废水处理中起着重要的作用.环境的变化(比如温度和溶解氧等)和处理废水水质的变化都会对活性污泥造成冲击,造成处理系统的不稳定.通过对该系统进行宏蛋白质组学的研究,找出其中抗冲击的关键酶和恢复稳定的关键酶,通过对这些酶的研究,可以生产提高微生物抗冲击能力和加速冲击后恢复速度的助剂,从而帮助污泥处理系统稳定的发挥作用.通过探索和污染物降解相关的蛋白质酶类并以此为基础,可以研究开发一批利于污染物降解的新工艺、新技术和新产品.极端环境微生物也将是宏蛋白质组学的重要研究领域之一.微生物在极端环境中的生存及功能发挥都涉及到一些特殊的酶,传统的纯培养技术在极端环境微生物的研究中有很大的缺陷,利用宏蛋白质组学技术对极端环境中总蛋白质进行研究,有利于发现一些有特殊功能的蛋白质,揭示极端环境的形成及其特殊的代谢途径17.3.2 宏蛋白质组学在环境标志物开发中的应用展望宏蛋白质组研究可以用于开发环境中一些特殊的生物分子随着生态环境的变化,处于其中的生物体也会相应做出反应,产生并释放一些生物分子,这些生物分子被称为对这些环境变化相应的生物标志物(Biomarker).这些生物标志物在环境监测上有着巨大的应用价值,宏蛋白质组学就是开发新的环境标志物的一种有力方法.宏蛋白质组的研究可以很快地发现一些环境中高表达的蛋白质,其中很多蛋白质具有重要的生物学功能,并且具有工业应用的价值.另外,结合一些芯片及杂交技术,利用宏蛋白质组学发现的一些特殊蛋白质,可以制成一些蛋白质芯片来检测环境中微生物群落的活性或者实现犹如污水处理这样的过程快速自动控制.在环境受到污染的时候,其环境中微生物群落所表达的蛋白质可能有很大的变化,选取其中变化较大且稳定的蛋白质分子,以此作为生物标志物,可以在以后的研究中以此为标志物表征环境是否受污染31.另外,宏基因组研究目前已经成为开发新药物,获得新基因的一个重要方法40,同样,宏蛋白质组研究在新活性物质及重要蛋白质产品的开发中有着极高的潜在价值.3.3 宏蛋白质组学在环境微生物相互作用研究中的应用展望宏蛋白质组学可以作为一种研究工具在微生物相互作用的研究中发挥作用40.结合如稳定同位素技术等已有的一些微生物相互作用研究方法,微生物的相互作用关系可以得到更加完整的阐述.例如在微生物病害防治、污染环境微生物相互作用、病原微生物相互作用的研究中,一般生物效应的靶点都是蛋白质,利用宏蛋白质组技术可以发现这些效应蛋白质分子并加以研究,这样,对环境中未培养微生物相互作用机理的研究将会得到极大地推进.在废水生物强化技术的运用中,外加微生物和本土微生物的相互作用关系一直是科学家们探索的热点和难点之一,运用宏蛋白质组学技术可以研究它们相互作用的机制,将会大大提高生物强化技术的使用效能.3.4 宏蛋白质组学的其他潜在应用展望今后,宏蛋白质组学和另外几个“组学”的研究将会越来越紧密.宏基因组学提供环境中总DNA的信息,宏转录组学则提供实时的环境基因表达信息,宏蛋白质组学可以提供实时状况下环境功能的信息,宏代谢组学提供最后的环境代谢产物的总体信息.各种“组学”在不同水平上对环境微生物的组成、结构和功能等进行阐述,然后将其和数学动力学模型及某些控制模型相结合,就可以对某些环境的动态变化进行更精确的预测与指导.比如:废水处理系统是一个时刻在变化的动态过程,对一个给定的处理系统,如果将以上的几个组学的研究与某些数学动力学模型和控制模型(比如模糊控制、神经网络等)相结合,就可以实现对废水处理系统的运行状况进行精确的预测和对处理系统参数进行指导.目前,各种“组学”的研究还比较独立,如何把这些“组学”联系起来,形成一个研究的体系,也是今后研究中面临的一个挑战41.这样,从基因到代谢产物,形成一个研究链,将极大丰富人类对自然界的认识.宏蛋白质组学作为一种新兴的研究概念和技术,必将在环境微生态功能的研究的中发挥其越来越大的作用.References1Graves P,Haystead TAJ.Molecular biologists guide to proteomics.M icrobiolM olB iol Rev,2002,66:39632Handelsman J,RondonMR,Brady SF,Clardy J,RobertMG.Molecu2lar biological access to the chemistry of unknown soil microbes:A newfrontier for natural products.Chem B iol,1998,5:2452493Beja O,Suzuki MT,Koonin EV,Aravind L,Hadd A,Nguyen LP,Villacorta R,Amjadi M,Garrigues C,Jovanovich SB,Feldman RA,DeLong EF.Construction and analysis of bacterial artificial chromosomelibraries from marine microbial assemblage.Environ M icrobiol,2000,2:5165294Rondon MR,August PR,Bettermann AD,Brady SF,Gross man TH,LilesMR,Loiacono KA,Lynch BA,MacNeil I A,MinorC,Tiong CL,GilmanM,OsburneMS,Clardy J,Handelsman J,Goodman RM.Clo2ning the soilmetagenome:A strategy for accessing the genetic and func2tional diversity of uncultured microorganis ms.Appl Environ M icrobiol,2000,66:254125475RodriguezValera F.Environmental genomics,the big picture?FEMSM icrobiol Lett,2004,231:1531586TyersM,MannM.From genomics to proteomics.Nature,2003,422:1931977W ilmens P,Bond PL.The application of two2dimensional polyacrylam2ide gel electrophoresis and downstream analyses to amixed communityofprokaryotic microorganis m.EnvironM icrobiol,2004,6(9):9119208Schloss PD,Handels man J.Biotechnologicalprospects from metagenom2ics.CurrOpin B iotech,2003,14:3033109WashburnMP,YatesJR.Analysisof themicrobialproteome.CurrOpinM icrobiol,2000,3:29229710Schloss PD,Handelsman J.Biotechnological prospects from met2agenomics.CurrOpin B iotech,2003,14:30331011Muyzer G,Waal EC,Uitterlinden AG.Profiling of complexmicrobialpopulations by denaturing gradient gel electrophoresis analysis of poly2merase chain reaction amplified genes encoding for 16S rRNA.Appl472 应 用 与 环 境 生 物 学 报 Chin J Appl Environ B iol 14卷Environ M icrob,1993,59:69570012Hallier-Soulier S,Ducrocq V,Mazure N,TruffautN.Detection andquantification of degradative genes in soils contaminated by toluene.FEMS M icrobiol Ecol,1996,20(2):12113313Tyson G W,Chapman J,Hugenholtz P,Allen EE,Ram RJ,Richard2son PM,SolovyevVV,Rubin EM,RokhsarDS,Banfield JF.Commu2nity structure and metabolism through reconstruction of microbial ge2nomes from the environment.Nature,2004,428:374314Venter JC,Remington K,HeidelbergJF,Halpern AL,RuschD,Eis2en JA,Wu D,Paulsen I,Nelson KE,NelsonW,FoutsDE,Levy S,Knap AH,LomasMW,Nealson K,White O,Peterson J,Hoffman J,Parsons R,Baden-Tillson H,Pfannkoch C,Rogers YH,Smith HO.Environmental genome shotgun sequencing of the Sargasso Sea.Sci2ence,2004,304:667415Tringe SG,Mering CV,Kobayashi A,Salamov AA,Chen K,ChangHW,PodarM,Short JM,Mathur EJ,Detter JC,Bork P,HugenholtzP,Rubin EM.Comparative metagenomics of microbial communities.Science,2005,308:55455716Schulze WX,Gleixner G,Kaiser K,Guggenberger G,Mann M,Schulze ED.A proteomic fingerprint of dissolved organic carbon and ofsoil particles.Oecologia,2005,142:33534317Ram RJ,VerBerkmoesNC,ThelenMP,Tyson G W,BakerBJ,BlakeRC,ShahM,Hettich RL,Banfield JF.Community proteomicsof anatur