微生物中的代谢足迹方法及在功能基因组和生物技术中的应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1/8/2022,#,微生物中的代谢足迹方法及在功能基因组和生物技术中的应用,微生物中的代谢足迹方法及在功能基因组和生物技术中的应用,第1页,代谢足迹给咱们提供了功效基因组学和菌株特征一些主要信息,代谢足迹为科学家对细胞通讯，代谢工程和生物技术工艺认识提供主要方法,代谢足迹能够给咱们提供一些关于胞内代谢情况主要信息,从代谢足迹中得到主要信息给能够帮助咱们深入破译代谢网络,微生物中的代谢足迹方法及在功能基因组和生物技术中的应用,第2页,在代谢组分析中提到一些概念,代谢组：由细胞合成，与代谢作用相关一整套代谢物。代谢组由胞内代谢组和胞外代谢组组成。,代谢指纹：由核磁共振或质谱分析取得光谱图，提供由胞内代谢物得到“印记”。普通地，代谢指纹并不提供对特定代谢物定性或定量检测。,代谢足迹：由核磁共振或质谱分析得到光谱图，提供由胞外代谢物得到“印记”。普通地，代谢足迹并不提供特定代谢物定性检测，相反，它依赖于描述数据趋势规律发展，这些数据包括到只是少数变量。对代谢指纹和代谢足迹平行分析，能够显示胞内代谢物与胞外代谢物可能相互联络，所以能帮助咱们判定可能新代谢物功效。,微生物中的代谢足迹方法及在功能基因组和生物技术中的应用,第3页,在代谢组分析中提到一些概念,代谢物谱型：对一组特定含有相同物理化学性质或代谢路径代谢物进行定性和定量检测后分析结果。,代谢物靶向分析：对感兴趣一个或几个代谢物进行定量分析，忽略样本中出现非靶向峰图。,微生物中的代谢足迹方法及在功能基因组和生物技术中的应用,第4页,代谢足迹分析工具,直接喷射法质谱：,代谢样本直接喷射到离子源前，所以能够绕开色谱分离。电喷射离子化质谱通常见于极性代谢物检测，而大气压化学电离用于低极性和非极性代谢物分析，其灵敏度还有待提升。直接喷射法质谱允许对原样品或样品粗提物进行高通量分析，普通每个样品需要,1,到,3,分钟。直接喷射法质谱主要缺点是所谓“基质效应”，它使得检测不一样基质样本在灵敏度和定量准确度方面都有所下降,微生物中的代谢足迹方法及在功能基因组和生物技术中的应用,第5页,代谢足迹分析工具,质谱偶联：,它包含全部这些分析技术，先对代谢物进行色谱分离再进行质谱分析，所以能对代谢物进行定性和定量分析。在代谢组中，最常见色谱分析技术是气相色谱（气相色谱,-,质谱），还有经常见于靶向分析高效液相色谱（高效液相色谱,-,质谱），另外还有毛细管电泳（毛细管电泳,-,质谱）。当前，飞行时间质谱分析器是代谢组分析首选仪器，因为它含有全质量扫描能力和提供全部质谱图，所以使得它对代谢物检测含有很好灵敏度。,微生物中的代谢足迹方法及在功能基因组和生物技术中的应用,第6页,代谢足迹分析工具,核磁共振法：核磁共振大量地应用于代谢组学研究，得益于它特异性和非选择性。这就意味着，咱们观察到每个共振对应于特异化合物，它可提供一个样品中关于结构丰富信息。核磁共振不需要分析预筛条件，比如色谱分析离子源或色谱分析运行条件。,振动光谱法：傅里叶转换红外仪，是当前比较广泛应用技术，能够取得生物样本光谱指纹。傅里叶转换红外仪含有快速、无需反应试剂，对复杂生物样本非破坏分析等优点，所以，便于高通量筛选和无偏性测定。该技术主要缺点是灵敏度相对较低，这使得咱们极难将得到信心整合到生物信息当中去。,微生物中的代谢足迹方法及在功能基因组和生物技术中的应用,第7页,胞外代谢物自然角色,在胞外微环境中，胞外代谢物水平任何改变都会直接反应由体系中微生物活动而引发环境改变,。,举个例子，营养会被消耗，许多胞外代谢物作为代谢活动副产物会形成。另外，微生物所接触环境真实情况，会影响微生物代谢情况，进而影响到释放到微环境中代谢物。,微生物能依据微环境进行精细调控以最大化地利用自然资源。,举个例子，在厌氧条件下或在有氧条件，但存在氧化抑制剂情况下，啤酒酵母产生乙醇，以维持适当氧化还原平衡。在厌氧条件下，啤酒酵母不能消耗它产生并释放到环境中乙醇，但在有氧条件下，酵母能利用乙醇作为碳源，从而造成碱性厌氧代谢到有,氧呼吸代谢转换。,那些不是由细胞分泌或排出代谢物（比如磷酸烯醇式丙酮酸，）在胞外存在，可作为细胞溶解一个标识，所以能够向咱们提供细胞特定生长条件下一些信息，比如,pH,，渗透压，它们能指示细胞内压力,微生物中的代谢足迹方法及在功能基因组和生物技术中的应用,第8页,胞外代谢物自然角色,另外，代谢物还含有主要作用，这就是所说细菌群感效应（,QS,），它依靠细胞感应胞外代谢物。,细胞群感效应是调控生物膜形成和其它生物学功效机制。细菌能够分析特定信号分子并感应它浓度，当信号分子浓度到达阈值是，细菌就能够引发包含致病基因在内相关基因表示，以适应环境改变。,微生物中的代谢足迹方法及在功能基因组和生物技术中的应用,第9页,胞外代谢组与胞内代谢组偶联,微生物中的代谢足迹方法及在功能基因组和生物技术中的应用,第10页,代谢足迹能带来主要生物信息,微生物中的代谢足迹方法及在功能基因组和生物技术中的应用,第11页,代谢足迹应用和可能结果,经过代谢足迹进行细菌群感效应研究,很多病原菌利用细菌群感效应（,QS,）机制来进行增值和攻击它们宿主。,慢性疾病感染主要原因是含有在生物膜系统中连续存在能力，而这些生物膜系统通常是攻不破，即使在抗生素压力下，比如由菌绿假单胞菌引发肺腑感染。在这些条件下，特异性地靶向靶向能诱导生物膜形成,QS,分子，将是一个毁灭微生物毒力很有前景方法，因为没有威胁到微生物生存，所以降低了造成耐药性突变选择压力发生。然而，因为,QS,分子性质和作用方式多样性，这些原因能改变依靠,QS,分子浓度和感染情况，所以，,QS,分子拮抗物设计可能不是很轻易完成工作。,代谢足迹分析可提供一个从微生物群落胞外代谢物中，判定出潜在,QS,代谢物有效方法,微生物中的代谢足迹方法及在功能基因组和生物技术中的应用,第12页,代谢足迹应用和可能结果,功效基因组学和菌株判定,因为光谱技术在高通量应用方面不停发展，还有与代谢指纹相比，代谢足迹比较轻易取得，这使得代谢足迹成为一个在功效基因组研究中强有效方法。酵母和大肠杆菌不一样基因突变，其基因是与代谢组亲密相关，则依据代谢足迹能成功地将它们区分开来。,这种方法依靠对小个别差异（质谱峰）判定，这些差异改变有一个规律，就是它们与特定突变相关。所以，代谢足迹能够用于第一轮分析，确定能区分归因于变异质谱峰。,微生物菌种快速判别不但与功效基因组学相关，而且与工业生物技术相关，在工业生物技术中，新高产菌株判定含有主要意义。举个例子来说，经过代谢足迹对啤酒酵母进行判别和分类，揭示了对那些因为基因组内在复杂性，而不能在基因水平上区分啤酒酵母菌株进行分类是可行,微生物中的代谢足迹方法及在功能基因组和生物技术中的应用,第13页,代谢足迹应用和可能结果,新代谢路径发觉和代谢工程,当前，相当多工业研究兴趣聚焦在植物纤维降解上，经过发酵方法，将其作为原材料用于乙醇或其它燃料和化合物生产。在这方面研究一个主要目标是使植物多糖（纤维素和半纤维素）进行完全地降解成单糖（木糖和阿拉伯糖），理想是不使用化学试剂或只采取酶催化方法。微生物和反应条件优化仍有待于研究，但代谢足迹提供了一个主要信息，使得咱们能够经过判定胞外培养基中降解产物来衡量降解程度。,对来自于降解纤维素微生物胞外代谢物进行定性和定量研究，能够提供针对瓶颈主要线索和之前没被判别微生物代谢路径。这些信息能与转录组学和蛋白组学数据结合起来，深入表征那些参加纤维降解基因或相关代谢路径。,代谢足迹还能够应用于生物修复。在生物修复领域，经过放射性同位素标识底物来跟踪异性生物质不一样降解路径，对代谢路径和可能代谢抑制进行检测和表征，将得到深入改进。,微生物中的代谢足迹方法及在功能基因组和生物技术中的应用,第14页,代谢足迹应用和可能结果,生物过程检测和开发,代谢足迹能带来大量生化信息，这些信息连同先进自动分析技术开发，使得代谢足迹成为一个能从工业水平上监测生物过程诱人方法。遍布不一样生物生长阶段，微生物胞外代谢组发生根本改变，各个不一样生长阶段能够用一特定足迹来表征，这就意味着简单地经过读取对应质谱峰图能够确定培养物情况,对生物过程而言，代谢足迹更主要另一个方面是，能够用它来检测细胞生理情况和能够诱导胞内压力环境条件。对于一给定生物过程，代谢足迹可能有利于咱们筛选最适当菌株和生长条件，另外，经过代谢足迹，能够揭示细胞对环境压力和生物标识存在特殊反应，这些反应能暗示环境中有毒化合物存在。举个例子来说，在废水生物处理过程当中，污泥培养物代谢足迹，使得咱们能够将存在于处理水中不一样类型化学应力原因区分开来，比如镉，,2,4-DNT,和,N-ethyl-maleimide,，而且这种方法为微生物感应器环境监测开发铺平了道路。,微生物中的代谢足迹方法及在功能基因组和生物技术中的应用,第15页,代谢足迹应用和可能结果,高通量应用普通过程和数据库,代谢足迹一个主要优点是它作为一个高通量分析方法，使用简单，能同时用于试验室研究和工业就地生物处理过程。,另外，与代谢指纹相比，代谢足迹不需要任何复杂操作程序，比如抑制（快速阻断）胞内代谢物，从代谢物从细胞中提取出来以及随即处理方便于分析。对胞内代谢真正分析前所需要步骤多寡，另外耗时长和高成本，都可能影响结果可靠性和可重复性，所以，较少操作步骤也是代谢足迹一个优势,为了把代谢足迹开发成适合高通量应用代谢组技术，需要含有确定峰标准图谱，所以从,MS,或,NMR,分析得到峰模式才能被转译成相关生物信息。基于此，详细光谱数据库建立，对全部代谢组分析，都是非常主要，但对高通量代谢足迹则尤为主要,微生物中的代谢足迹方法及在功能基因组和生物技术中的应用,第16页,