生物信息技術(shù)在微生物研究中的應(yīng)用

任志芳

（濮陽醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校 河南 濮陽 457000）

1 引言

隨著人類基因組計(jì)劃的各項(xiàng)任務(wù)逐步完成，與其相關(guān)的核酸、蛋白質(zhì)的序列和相關(guān)數(shù)據(jù)大量增長，在面對這些海量及復(fù)雜的數(shù)據(jù)，需要通過生物信息技術(shù)對其進(jìn)行分析，這也使得生物信息技術(shù)成為當(dāng)今生命科學(xué)及自然科學(xué)的重要領(lǐng)域之一。微生物在生物學(xué)中是最重要的分解代謝類群組，它的多樣性在為人類提供廣泛的未開發(fā)資源方面起著重要的作用，也常常被人類作為模式生物來進(jìn)行研究。生物信息技術(shù)的出現(xiàn)對微生物的研究提供了一種新型手段，它可以幫助科研人員利用逐漸完善的微生物信息數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)微生物分型鑒定、溯源分析、微生物藥物合成和微生物致病機(jī)理的分析。

2 生物信息技術(shù)在微生物鑒定中的應(yīng)用

在對微生物的研究中，對微生物的高度遺傳多樣性的鑒定和對微生物的溯源都是難度較高的課題，利用生物信息技術(shù)來解決這個(gè)問題是當(dāng)今最有效的手段。因?yàn)樯镄畔⒓夹g(shù)的出現(xiàn)是基于DNA序列、蛋白質(zhì)序列和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，能夠幫助科研人員利用基因手段鑒定微生物提供了精確快速的手段，尤其是自面對新的微生物鑒定的時(shí)候。過去對微生物的鑒定一般采用傳統(tǒng)的生化分型和表型分型這兩種方法，隨著生物信息技術(shù)的發(fā)展，DNA測序鑒定方法廣泛被應(yīng)用，因?yàn)樗葌鹘y(tǒng)方法更加準(zhǔn)確、快速。如PacBio SMRT技術(shù)采用的是單分子測序方法，使用熒光信號進(jìn)行測序工作，一邊合成一邊測序，把SMRT芯片作為測序載體，芯片上有很多小孔，每個(gè)孔中均有DNA聚合酶，在測序的時(shí)候這些DNA聚合酶和模板結(jié)合，4色熒光對應(yīng)4種堿基，在堿基配對階段，加入不同的堿基，就會發(fā)出不同的光，根據(jù)光的波長與峰值可以判斷進(jìn)入的堿基類型。由于在一個(gè)特定的表面，單個(gè)分子可以增加獨(dú)立分析的DNA片段，所以該技術(shù)有更高的通量，并且還具有綜合連續(xù)長的讀長和準(zhǔn)確性，這就提高了DNA測序的速度及準(zhǔn)確度。綜合以上所述，生物信息技術(shù)在微生物鑒定中起到了不可替代的作用。

3 生物信息技術(shù)在微生物溯源分析中的應(yīng)用

在面對微生物關(guān)系復(fù)雜的系統(tǒng)發(fā)育，生物信息技術(shù)可以通過構(gòu)建進(jìn)化樹來描述物種或分子之間的進(jìn)化關(guān)系，這是生物信息技術(shù)在微生物溯源分析中最重要的應(yīng)用。在科研人員日常對微生物研究過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一種新型的病毒（假設(shè)命名為A1）的時(shí)候，首先要做的就是完成該病毒的全基因測序，通過基因?qū)Ρ葟幕驇熘姓业酵愋筒《具M(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析，得出系統(tǒng)發(fā)育樹。在系統(tǒng)發(fā)育樹中找出與A1具有同源關(guān)系的其他病毒，說明這種新型病毒是由同源關(guān)系病毒進(jìn)化而來。這種分析方式直接明了，能夠快速找到微生物的進(jìn)化根源并找到應(yīng)用方式。

4 生物信息技術(shù)在微生物藥物合成中的應(yīng)用

微生物及其代謝物的多樣性為人類發(fā)現(xiàn)新藥提供了大力的支持，尤其是隨著生物信息技術(shù)的發(fā)展，針對微生物藥物藥物的研究世界各國都投入大量的人力、物力和財(cái)力，新型成果不斷出現(xiàn)，微生物藥物的研究進(jìn)入到快速發(fā)展階段。尤其是在抗生素研發(fā)領(lǐng)域，各國科學(xué)家通過對大量微生物基因序列的分析，找到了微生物合成的辦法，通過合成酶基因工程把微生物合成天然產(chǎn)物。生物合成相對于傳統(tǒng)化學(xué)合成來說，它可以通過共價(jià)系統(tǒng)在不同結(jié)構(gòu)的構(gòu)建之間進(jìn)行多次組合嘗試，最終形成不同的分子實(shí)體。所以生物合成就是在微生物次級代謝產(chǎn)物的合成過程當(dāng)中對涉及到的一些酶的編碼基因之間進(jìn)行交換、刪除或者添加，從而生成一些人為基因組從而產(chǎn)生一系列新的人工天然化合物。抗瘧疾藥物青蒿素，主要從黃花蒿提取，由于受到耕地、環(huán)境、氣候及提取過程繁瑣等原因的影響，制約著青蒿素原材料的來源。2004年美國加州大學(xué)伯克利分校教授Keasling教授與生物技術(shù)公司Amyris合作啟動了青蒿素微生物合成項(xiàng)目。他們利用釀酒酵母生產(chǎn)青蒿酸，并且在2006年成功構(gòu)建產(chǎn)青蒿酸的酵母菌株，產(chǎn)量達(dá)到115mg/L，通過發(fā)酵優(yōu)化青蒿酸的產(chǎn)量可以達(dá)到2.5g/L。同時(shí)科研人員開發(fā)了從青蒿酸到青蒿素的化學(xué)合成方法，整個(gè)轉(zhuǎn)化過程的收率在40～45%，直至2013年4月，科研人員耗時(shí)十年完成了青蒿素的半合成工藝。這個(gè)研究成果今后會逐步替代傳統(tǒng)青蒿素的提取技術(shù)，讓越來越多的瘧疾患者使用上利用微生物生產(chǎn)的廉價(jià)的青蒿素藥物。隨著生物信息技術(shù)的發(fā)展，微生物合成技術(shù)作為一個(gè)新的天然藥物原材料生產(chǎn)工藝在今后藥物生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，為人類健康提供更大的幫助。

5 生物信息技術(shù)在微生物致病基因研究中的應(yīng)用

當(dāng)前隨著生物信息技術(shù)的發(fā)展，科研人員對微生物的研究方向逐漸轉(zhuǎn)向基因與基因之間甚至基因組的研究，通過對全基因組序列的同源性比較，可以尋找出致病菌所在的屬、群、種、形、甚至是亞型等不同水平上的特異抗原，這樣就為解決疾病提供了依據(jù)。腸出血性大腸埃希菌O157：H7（EHEC O157：H7）是來源于食物的致病細(xì)菌中比較厲害一種，當(dāng)感染了低劑量就能威脅到我們的生命。我國科學(xué)家利用生物信息技術(shù)建立了“基因組條形碼”注釋系統(tǒng)研究平臺，利用高通量測序技術(shù)注釋細(xì)菌基因組海量的序列數(shù)據(jù)，把生物信息技術(shù)與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)科學(xué)融合在一起，高通量地篩選及注釋了腸出血性大腸埃希菌O157：H7的毒力島。這項(xiàng)研究預(yù)測并初步確定了腸出血性大腸埃希菌O157：H7診斷靶標(biāo)，通過全基因組掃描并分析出腸出血性大腸埃希菌O157：H7轉(zhuǎn)座因子插入序列后具有的功能。利用生物信息技術(shù)對腸出血性大腸埃希菌O157：H7的致病機(jī)理和診斷靶標(biāo)的研究成果在今后提高腸道傳染病的防治及腸道病原菌診斷水平有著重要的理論和實(shí)踐意義。生物信息技術(shù)幫助科研人員對微生物的種類組成、細(xì)胞數(shù)量及各個(gè)分類群的生態(tài)學(xué)功能的研究更加深入，也將為開發(fā)和利用微生物資源提供了指導(dǎo)。

6 結(jié)語

生物信息技術(shù)的發(fā)展，為微生物的研究提供了新的途徑，對今后人類對微生物的利用提供了有力支持。我們應(yīng)該加大對生物信息技術(shù)硬件的投入，集中優(yōu)勢資源在某些領(lǐng)域進(jìn)行突破，逐步改變我國生物信息技術(shù)底子薄、基礎(chǔ)差的狀態(tài)。同時(shí)還要加大生物信息人才培養(yǎng)力度，針對生物信息技術(shù)人才建立完善的培養(yǎng)體系，做好生物信息人才梯隊(duì)建設(shè)。