微生物代謝組學(xué)研究應(yīng)用進(jìn)展

王希越 李秋穎 田媛媛

摘 要：代謝組學(xué)主要研究受到遺傳或環(huán)境擾動后生物體內(nèi)小分子代謝物的變化，來揭示生物體的代謝特征，是功能基因組學(xué)研究的主要方法之一。近年來，后功能基因組學(xué)的研究及微生物細(xì)胞工廠的構(gòu)建理念促進(jìn)了代謝組學(xué)在微生物領(lǐng)域的研究應(yīng)用。本文主要綜述了微生物代謝組學(xué)在微生物表型分類、新基因功能、代謝途徑、代謝工程等領(lǐng)域的研究應(yīng)用進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：微生物代謝組學(xué)；表型分類；基因功能；代謝途徑；代謝工程

代謝組學(xué)自20世紀(jì)90年代由Nicholson提出后，其發(fā)展迅速，目前已被應(yīng)用到生命科學(xué)中各個領(lǐng)域的研究。同基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)不同，代謝組學(xué)是對基因表達(dá)終端產(chǎn)物-代謝物進(jìn)行研究，通過代謝物的變化闡述生物體的代謝狀態(tài)及生理功能。微生物代謝組學(xué)雖然發(fā)展較晚，但由于微生物易于培養(yǎng)、遺傳背景清楚，且和能源、環(huán)境、食品等領(lǐng)域都息息相關(guān)，所以微生物代謝組學(xué)研究越來越受到關(guān)注。本文主要對微生物代謝組學(xué)應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 微生物表型分類

代謝物是細(xì)胞生命活動的終端產(chǎn)物，通?；蛏系奈⑿∽兓诖x物水平上都會被“放大”，產(chǎn)生明顯不同的代謝表型，所以利用代謝組學(xué)分析方法研究微生物代謝物譜的差異可以實現(xiàn)不同菌株的表型分類。在工業(yè)微生物研究上，釀酒酵母菌與非釀酒酵母菌的區(qū)分是非常重要的，傳統(tǒng)的鑒定方法如基于生物化學(xué)、形態(tài)學(xué)等差異不僅步驟繁瑣，而且鑒定能力有限。利用基因組學(xué)區(qū)分菌株的方法受到基因復(fù)雜性影響，會產(chǎn)生錯誤的分類結(jié)果或?qū)z傳關(guān)系近的菌株不能得到很好的區(qū)分，而代謝組學(xué)方法卻展現(xiàn)了很好的菌株區(qū)分能力。

Kang等采用LC-ESI-MS-MS方法對屬于7種木霉菌的33株菌的次級代謝產(chǎn)物進(jìn)行分析，成功的將它們鑒別開[ 1 ]。近年有研究者利用GC-MS代謝輪廓的分析方法研究Rhizoctonia solani分類學(xué)，期望能找到有效的標(biāo)志物構(gòu)建用于Rhizoctonia solani分類的模型，發(fā)展高通量的Rhizoctonia solani分類方法[ 2 ]。

2 基因（酶）功能研究

雖然許多模式生物的基因已被解析出來，但仍有一半以上基因的功能是未知的，獲悉這些基因的功能，成為后基因組時代研究的主要任務(wù)之一。代謝組學(xué)是基因型與表型相關(guān)聯(lián)的直接紐帶，極大地促進(jìn)了對未知基因（酶）功能的研究進(jìn)展。

日本Keio大學(xué)Soga課題組，他們利用CE-MS分析方法對待測酶和大腸桿菌細(xì)胞提取物反應(yīng)后的混合物進(jìn)行分析，鑒定出大腸桿菌中兩個未知功能的酶YbhA和YbiV具有磷酸轉(zhuǎn)移酶和磷酸酶的活性[ 3 ]。有一些酶需要通過翻譯后修飾或和其他分子作用異構(gòu)化后才能表現(xiàn)出活性，對于這些酶的研究人們結(jié)合分子生物學(xué)，發(fā)展間接體內(nèi)代謝組學(xué)研究方法。

FANCY方法利用比較代謝組學(xué)方法對敲除已知功能基因與未知功能基因的酵母菌的代謝輪廓進(jìn)行分析，如果他們具有相似的代謝表型，那么這兩個基因可能有相同的功能，即利用已知基因的功能推斷和其有相似代謝表型的未知基因的功能[ 4 ]。

3 代謝途徑

對于一些模式菌株如大腸桿菌、酵母菌等，雖然已構(gòu)建了很詳細(xì)的代謝網(wǎng)絡(luò)圖，但仍存在一些我們未知的初級或次級代謝過程。結(jié)合同位素標(biāo)記和代謝組學(xué)或通量組學(xué)對環(huán)境中的兩個重要微生物Geobacter metallireducens和Desulfovibrio vulgaris進(jìn)行研究，分別發(fā)現(xiàn)了新的異亮氨酸合成途徑和三羧酸循環(huán)中檸檬酸異構(gòu)體的合成過程。利用代謝組學(xué)分析方法對野生型大腸桿菌和各種遺傳修飾菌株的代謝輪廓進(jìn)行分析，一條新的尿嘧啶一磷酸（UMP）降解途徑被發(fā)現(xiàn)，并鑒定出新酶活性（UMP磷酸酶）。

4 代謝工程

一直以來微生物被用于發(fā)酵產(chǎn)生各種人類生活的必需品，如抗生素、氨基酸、生物燃料、生物藥物等，而這些工業(yè)微生物前期的選擇與優(yōu)化是一項巨大的工作。代謝組學(xué)作為功能基因組學(xué)的研究工具，為工程菌的改造提供新的解決思路。

通過代謝組學(xué)分析方法對代謝物進(jìn)行定性、定量分析，找到代謝途徑或代謝網(wǎng)絡(luò)中影響目標(biāo)物質(zhì)產(chǎn)生的關(guān)鍵反應(yīng)，針對靶標(biāo)酶進(jìn)行遺傳改造來提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)生速率。

Hasunuma等利用代謝組學(xué)方法研究乙酸對酵母菌發(fā)酵木糖的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)加入乙酸時非氧化磷酸戊糖途徑中的物質(zhì)（如7-磷酸景天庚酮糖，5-磷酸核酮糖，5-磷酸核糖）顯著增加，這說明乙酸存在阻礙了磷酸戊糖途徑物質(zhì)向下游代謝，從而抑制了木糖發(fā)酵過程，相應(yīng)的對磷酸戊糖途徑上編碼轉(zhuǎn)醛醇酶或轉(zhuǎn)酮醇酶基因過表達(dá)來增加磷酸戊糖途徑中的物質(zhì)分解利用，就可以減少乙酸對木糖發(fā)酵的抑制作用，增加乙醇的產(chǎn)率。

5 展望

相對于代謝組學(xué)在植物學(xué)、病理學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域的研究，微生物代謝組學(xué)仍在初步發(fā)展階段，但作為重要的物種之一，微生物結(jié)構(gòu)簡單，易于培養(yǎng)，有豐富的遺傳信息，易于進(jìn)行實驗設(shè)計，所以微生物代謝組學(xué)在基因功能研究中具有一定的優(yōu)勢。

另外在現(xiàn)代資源能源短缺，環(huán)境污染嚴(yán)重的情況下，挖掘部分工業(yè)微生物的生產(chǎn)價值變得尤為重要，這更加促進(jìn)了微生物代謝組學(xué)的研究應(yīng)用。除此之外，微生物還關(guān)系到人類的身體健康，近年部分學(xué)者利用代謝組學(xué)對腸道菌群進(jìn)行研究，以期找到預(yù)防或治療某些代謝疾病的方法?？傊?，微生物代謝組學(xué)作為新的研究領(lǐng)域，已成為研究熱點并迅速發(fā)展起來。

參考文獻(xiàn)：

[1] D Kang. J Microbiol Biotechnol，2011，21（1）：5-13.

[2] K A Aliferis，M A Cubeta，S Jabaji.Metabolomics，2011，9（S1）：159-169.

[3] N Saito， M Robert， S Kitamura， er al. J Proteome Res， 2006，5（8）：1979-1987.

[4] L M Raamsdonk， B Teusink， D Broadhurst， et al. Nat Biotechnol，2001，19（1）：45-50.