微生物中的代謝足跡方法及在功能基因組和生物技術中的應用

代謝足跡給我們提供了功效基因組學和菌株特征一些主要信息代謝足跡為科學家對細胞通訊，代謝工程和生物技術工藝認識提供主要方法

代謝足跡能夠給我們提供一些關于胞內代謝情況主要信息

從代謝足跡中得到主要信息給能夠幫助我們深入破譯代謝網絡

微生物中的代謝足跡方法及在功能基因組和生物技術中的應用第1頁在代謝組分析中提到一些概念

代謝組：由細胞合成，與代謝作用相關一整套代謝物。代謝組由胞內代謝組和胞外代謝組組成。代謝指紋：由核磁共振或質譜分析取得光譜圖，提供由胞內代謝物得到“印記”。普通地，代謝指紋并不提供對特定代謝物定性或定量檢測。代謝足跡：由核磁共振或質譜分析得到光譜圖，提供由胞外代謝物得到“印記”。普通地，代謝足跡并不提供特定代謝物定性檢測，相反，它依賴于描述數(shù)據(jù)趨勢規(guī)律發(fā)展，這些數(shù)據(jù)包括到只是少數(shù)變量。對代謝指紋和代謝足跡平行分析，能夠顯示胞內代謝物與胞外代謝物可能相互聯(lián)絡，所以能幫助我們判定可能新代謝物功效。微生物中的代謝足跡方法及在功能基因組和生物技術中的應用第2頁在代謝組分析中提到一些概念代謝物譜型：對一組特定含有相同物理化學性質或代謝路徑代謝物進行定性和定量檢測后分析結果。代謝物靶向分析：對感興趣一個或幾個代謝物進行定量分析，忽略樣本中出現(xiàn)非靶向峰圖。微生物中的代謝足跡方法及在功能基因組和生物技術中的應用第3頁代謝足跡分析工具直接噴射法質譜：代謝樣本直接噴射到離子源前，所以能夠繞開色譜分離。電噴射離子化質譜通慣用于極性代謝物檢測，而大氣壓化學電離用于低極性和非極性代謝物分析，其靈敏度還有待提升。直接噴射法質譜允許對原樣品或樣品粗提物進行高通量分析，普通每個樣品需要1到3分鐘。直接噴射法質譜主要缺點是所謂“基質效應”，它使得檢測不一樣基質樣本在靈敏度和定量準確度方面都有所下降

微生物中的代謝足跡方法及在功能基因組和生物技術中的應用第4頁代謝足跡分析工具質譜偶聯(lián)：它包含全部這些分析技術，先對代謝物進行色譜分離再進行質譜分析，所以能對代謝物進行定性和定量分析。在代謝組中，最慣用色譜分析技術是氣相色譜（氣相色譜-質譜），還有經慣用于靶向分析高效液相色譜（高效液相色譜-質譜），另外還有毛細管電泳（毛細管電泳-質譜）。當前，飛行時間質譜分析器是代謝組分析首選儀器，因為它含有全質量掃描能力和提供全部質譜圖，所以使得它對代謝物檢測含有很好靈敏度。微生物中的代謝足跡方法及在功能基因組和生物技術中的應用第5頁代謝足跡分析工具核磁共振法：核磁共振大量地應用于代謝組學研究，得益于它特異性和非選擇性。這就意味著，我們觀察到每個共振對應于特異化合物，它可提供一個樣品中關于結構豐富信息。核磁共振不需要分析預篩條件，比如色譜分析離子源或色譜分析運行條件。振動光譜法：傅里葉轉換紅外儀，是當前比較廣泛應用技術，能夠取得生物樣本光譜指紋。傅里葉轉換紅外儀含有快速、無需反應試劑，對復雜生物樣本非破壞分析等優(yōu)點，所以，便于高通量篩選和無偏性測定。該技術主要缺點是靈敏度相對較低，這使得我們極難將得到信心整合到生物信息當中去。微生物中的代謝足跡方法及在功能基因組和生物技術中的應用第6頁胞外代謝物自然角色在胞外微環(huán)境中，胞外代謝物水平任何改變都會直接反應由體系中微生物活動而引發(fā)環(huán)境改變。

舉個例子，營養(yǎng)會被消耗，許多胞外代謝物作為代謝活動副產物會形成。另外，微生物所接觸環(huán)境真實情況，會影響微生物代謝情況，進而影響到釋放到微環(huán)境中代謝物。微生物能依據(jù)微環(huán)境進行精細調控以最大化地利用自然資源。

舉個例子，在厭氧條件下或在有氧條件，但存在氧化抑制劑情況下，啤酒酵母產生乙醇，以維持適當氧化還原平衡。在厭氧條件下，啤酒酵母不能消耗它產生并釋放到環(huán)境中乙醇，但在有氧條件下，酵母能利用乙醇作為碳源，從而造成堿性厭氧代謝到有氧呼吸代謝轉換。

那些不是由細胞分泌或排出代謝物（比如磷酸烯醇式丙酮酸，）在胞外存在，可作為細胞溶解一個標識，所以能夠向我們提供細胞特定生長條件下一些信息，比如pH，滲透壓，它們能指示細胞內壓力微生物中的代謝足跡方法及在功能基因組和生物技術中的應用第7頁胞外代謝物自然角色另外，代謝物還含有主要作用，這就是所說細菌群感效應（QS），它依靠細胞感應胞外代謝物。細胞群感效應是調控生物膜形成和其它生物學功效機制。細菌能夠分析特定信號分子并感應它濃度，當信號分子濃度到達閾值是，細菌就能夠引發(fā)包含致病基因在內相關基因表示，以適應環(huán)境改變。微生物中的代謝足跡方法及在功能基因組和生物技術中的應用第8頁胞外代謝組與胞內代謝組偶聯(lián)微生物中的代謝足跡方法及在功能基因組和生物技術中的應用第9頁代謝足跡能帶來主要生物信息微生物中的代謝足跡方法及在功能基因組和生物技術中的應用第10頁代謝足跡應用和可能結果經過代謝足跡進行細菌群感效應研究

很多病原菌利用細菌群感效應（QS）機制來進行增值和攻擊它們宿主。

慢性疾病感染主要原因是含有在生物膜系統(tǒng)中連續(xù)存在能力，而這些生物膜系統(tǒng)通常是攻不破，即使在抗生素壓力下，比如由菌綠假單胞菌引發(fā)肺腑感染。在這些條件下，特異性地靶向靶向能誘導生物膜形成QS分子，將是一個毀滅微生物毒力很有前景方法，因為沒有威脅到微生物生存，所以降低了造成耐藥性突變選擇壓力發(fā)生。然而，因為QS分子性質和作用方式多樣性，這些原因能改變依靠QS分子濃度和感染情況，所以，QS分子拮抗物設計可能不是很輕易完成工作。

代謝足跡分析可提供一個從微生物群落胞外代謝物中，判定出潛在QS代謝物有效方法微生物中的代謝足跡方法及在功能基因組和生物技術中的應用第11頁代謝足跡應用和可能結果功效基因組學和菌株判定因為光譜技術在高通量應用方面不停發(fā)展，還有與代謝指紋相比，代謝足跡比較輕易取得，這使得代謝足跡成為一個在功效基因組研究中強有效方法。酵母和大腸桿菌不一樣基因突變，其基因是與代謝組親密相關，則依據(jù)代謝足跡能成功地將它們區(qū)分開來。

這種方法依靠對小部分差異（質譜峰）判定，這些差異改變有一個規(guī)律，就是它們與特定突變相關。所以，代謝足跡能夠用于第一輪分析，確定能區(qū)分歸因于變異質譜峰。

微生物菌種快速判別不但與功效基因組學相關，而且與工業(yè)生物技術相關，在工業(yè)生物技術中，新高產菌株判定含有主要意義。舉個例子來說，經過代謝足跡對啤酒酵母進行判別和分類，揭示了對那些因為基因組內在復雜性，而不能在基因水平上區(qū)分啤酒酵母菌株進行分類是可行

微生物中的代謝足跡方法及在功能基因組和生物技術中的應用第12頁代謝足跡應用和可能結果新代謝路徑發(fā)覺和代謝工程

當前，相當多工業(yè)研究興趣聚焦在植物纖維降解上，經過發(fā)酵方法，將其作為原材料用于乙醇或其它燃料和化合物生產。在這方面研究一個主要目標是使植物多糖（纖維素和半纖維素）進行完全地降解成單糖（木糖和阿拉伯糖），理想是不使用化學試劑或只采取酶催化方法。微生物和反應條件優(yōu)化仍有待于研究，但代謝足跡提供了一個主要信息，使得我們能夠經過判定胞外培養(yǎng)基中降解產物來衡量降解程度。

對來自于降解纖維素微生物胞外代謝物進行定性和定量研究，能夠提供針對瓶頸主要線索和之前沒被判別微生物代謝路徑。這些信息能與轉錄組學和蛋白組學數(shù)據(jù)結合起來，深入表征那些參加纖維降解基因或相關代謝路徑。代謝足跡還能夠應用于生物修復。在生物修復領域，經過放射性同位素標識底物來跟蹤異性生物質不一樣降解路徑，對代謝路徑和可能代謝抑制進行檢測和表征，將得到深入改進。

微生物中的代謝足跡方法及在功能基因組和生物技術中的應用第13頁代謝足跡應用和可能結果生物過程檢測和開發(fā)

代謝足跡能帶來大量生化信息，這些信息連同先進自動分析技術開發(fā)，使得代謝足跡成為一個能從工業(yè)水平上監(jiān)測生物過程誘人方法。遍布不一樣生物生長階段，微生物胞外代謝組發(fā)生根本改變，各個不一樣生長階段能夠用一特定足跡來表征，這就意味著簡單地經過讀取對應質譜峰圖能夠確定培養(yǎng)物情況

對生物過程而言，代謝足跡更主要另一個方面是，能夠用它來檢測細胞生理情況和能夠誘導胞內壓力環(huán)境條件。對于一給定生物過程，代謝足跡可能有利于我們篩選最適當菌株和生長條件，另外，經過代謝足跡，能夠揭示細胞對環(huán)境壓力和生物標識存在特殊反應，這些反應能暗示環(huán)境中有毒化合物存在。舉個例子來說，在廢水生物處理過程當中，污泥培養(yǎng)物代謝足跡，使得我們能夠將存在于處理水中不一樣類型化學應力原因區(qū)分開來，比如鎘，2,4-DNT和N-ethyl-maleimide，而且這種方法為微生物感應器環(huán)境監(jiān)測開發(fā)鋪平了道路。微生物中的代謝足跡方法及在功能基因組和生物技術中的應用第14頁代謝足跡應用和可能結果高通量應用普通過程和數(shù)據(jù)庫

代謝足跡一個主要優(yōu)點是它作為一個高通量分析方法，使用簡單，能同時用于試驗室研究和工業(yè)就地生物處理過程。

另外，與代謝指紋相比，代謝足跡不需要任何復雜操作程序，比如抑制（快速阻斷）胞內代謝物，從代謝物從細胞中提取出來以及隨即處理方便于分析。對胞內代謝真正分析前