【收藏】宏蛋白組研究微生態(tài)應(yīng)用實(shí)例最新整理
2020-08-31
宏蛋白組，是應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)對(duì)微生物群落進(jìn)行研究的一項(xiàng)新技術(shù)，其定義為特定時(shí)刻下，環(huán)境微生物所表達(dá)的所有蛋白。可研究的樣本對(duì)象也極為豐富、廣闊，比如活性淤泥中的微生物，海洋微生物，土壤中的微生物，發(fā)酵食品中的微生物，腸道微生物，糞便、黏膜腔等，凡是存在多種微生物組成的固體、液體、甚至氣溶膠樣本均可以進(jìn)行宏蛋白組的研究。
近些年由于質(zhì)譜檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和分析方法的日趨成熟，宏蛋白組研究微生物也成為了不可忽視的新一熱點(diǎn)，并且從NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)表的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)可以看出，這是一個(gè)非常新鮮的，充滿力量的，發(fā)展迅猛的熱點(diǎn)。
研究宏蛋白組的必要性和重要性在此前的文章中已經(jīng)詳細(xì)討論（直戳微生物組研究與宏蛋白組的CP，你“鎖了”嗎？進(jìn)入），今天小編就和大家一起看看宏蛋白組具體可以應(yīng)用于哪些領(lǐng)域。
根據(jù)現(xiàn)有報(bào)道，微生物可能在多種疾病中發(fā)揮作用，比如牙周炎、炎癥性腸病、肥胖、肺部疾病、抑郁癥、阿爾茲海默癥、大腸癌等。其原因可能是微生物群落有益功能的缺乏或者有害微生物活動(dòng)的存在。通過(guò)對(duì)宿主微生物多樣性組成的充分認(rèn)識(shí)和功能明確，有利于尋找到新的疾病早期診斷標(biāo)志或者新的治療靶點(diǎn)。
圖1 宏蛋白組揭示MLI樣本內(nèi)微生物和宿主反應(yīng)調(diào)控機(jī)制
樣本類型：唾液，牙菌斑，齦溝液、黏膜與腸腔交界處（MLI）樣本等。
1).Bostanci N, et al. Periodontal disease: From the lenses of light microscopy to the specs of proteomics and next-generation sequencing. Adv Clin Chem. 2019;93:263-290.（牙周炎的唾液樣本中微生物的合作與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)宿主的影響）
2).Zhang X, et al. Metaproteomics reveals associations between microbiome and intestinal extracellular vesicle proteins in pediatric inflammatory bowel disease. Nat Commun. 2018;9(1):2873.（宏蛋白質(zhì)組學(xué)揭開小兒炎癥性腸病的新機(jī)制）
3).Long S,et al. Metaproteomics characterizes human gut microbiome function in colorectal cancer. NPJ Biofilms Microbiomes. 2020;6(1):14.（宏蛋白質(zhì)組學(xué)揭示大腸癌發(fā)病機(jī)制和初步確定診斷生物標(biāo)志物）
二、環(huán)境污染指標(biāo)和污染處理
目前我們面臨越來(lái)越多的環(huán)境污染問(wèn)題，包括土壤污染、水體污染、空氣污染等。這些環(huán)境中的微生物一方面可以作為污染指標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，另一方面也可以作為污染處理過(guò)程中的“清潔衛(wèi)士”。例如：已有文獻(xiàn)報(bào)道，土壤微生物指標(biāo)是評(píng)價(jià)土壤污染程度的重要生物學(xué)指標(biāo)之一；將宏蛋白質(zhì)組學(xué)應(yīng)用于污水生物處理領(lǐng)域，通過(guò)分析活性污泥中蛋白質(zhì)，可以提供大量的關(guān)于微生物群落結(jié)構(gòu)的信息，為污水生物處理的優(yōu)化控制及工藝技術(shù)研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)；空氣微粒物質(zhì)的宏蛋白質(zhì)組分析提供了有關(guān)大氣中生物氣溶膠的特性及其對(duì)氣候和公共衛(wèi)生的影響的寶貴信息。
圖2 宏蛋白組揭示嗜熱菌群降解偶氮染料的代謝機(jī)制
樣本類型：土壤、污泥、污水、在堆肥廠、廢水處理廠和農(nóng)業(yè)容器中收集的環(huán)境氣溶膠樣品等。
1).Sukul P, et al. Simple discovery of bacterial biocatalysts from environmental samples through functional metaproteomics. Microbiome. 2017;5(1):28.（通過(guò)宏蛋白質(zhì)組學(xué)從環(huán)境樣品中簡(jiǎn)單發(fā)現(xiàn)細(xì)菌生物催化劑）
2).Collado N, et aI. Exploring the potential of applying proteomics for tracking bisphenol A and nonylphenol degradation in activated sludge. Chemosphere. 2013;90(8):2309-2314. （探索應(yīng)用宏蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)跟蹤活性污泥中雙酚A和壬基酚降解的潛力）
3).An X, et al. Integrated metagenomic and metaproteomic analyses reveal potential degradation mechanism of azo dye-Direct Black G by thermophilic microflora. Ecotoxicol Environ Saf. 2020;196:110557.（綜合宏基因組和宏蛋白質(zhì)組揭示了嗜熱菌群降解偶氮染料的潛在機(jī)理）
4).Piovesana S, et al. Development of an Analytical Method for the Metaproteomic Investigation of Bioaerosol from Work Environments. Proteomics. 2019;19(23):e1900152.（通過(guò)宏蛋白組研究工作環(huán)境中生物氣溶膠的發(fā)展）
發(fā)酵食品體系作為一個(gè)獨(dú)特的微生態(tài)系統(tǒng)，其中的微生物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣，與發(fā)酵食品的品質(zhì)和風(fēng)味有直接關(guān)系。深入剖析發(fā)酵食品中的微生物群落結(jié)構(gòu)為進(jìn)一步改進(jìn)食品發(fā)酵工藝、探究食品風(fēng)味形成機(jī)理提供了理論基礎(chǔ)。
能源是人類社會(huì)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。微生物技術(shù)在新能源開發(fā)領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用潛力，對(duì)能源的可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和顯示意義。通過(guò)對(duì)能源發(fā)酵微生物的功能研究有利于優(yōu)化高質(zhì)量生物燃料的生產(chǎn)工藝。
圖3 宏蛋白組揭示噬菌體對(duì)沼氣過(guò)程和沼氣池營(yíng)養(yǎng)循環(huán)的影響
樣本類型：黃酒麥曲浸提物，大醬，白酒窖泥，植物厭氧發(fā)酵液等。
1).Román-Camacho JJ, et al. Metaproteomics of microbiota involved in submerged culture production of alcohol wine vinegar: Int J Food Microbiol. 2020;333:108797.（微生物群的宏蛋白質(zhì)組學(xué)研究浸水培養(yǎng)生產(chǎn)酒精酒醋）
2).Xie M, et al. Characterization and comparison of metaproteomes in traditional and commercial dajiang, a fermented soybean paste in northeast China. Food Chem. 2019;301:125270.（東北地區(qū)傳統(tǒng)大醬和商品化大醬的轉(zhuǎn)蛋白酶體特征及比較）
3).Heyer R, et al. Impact of feeding and stirring regimes on the internal stratification of microbial communities in the fermenter of anaerobic digestion plants. Bioresour Technol. 2020;314:123679. (飼喂和攪拌條件對(duì)厭氧消化植物發(fā)酵罐內(nèi)微生物群落分層的影響)
4).Heyer R, et al. Metaproteome analysis reveals that syntrophy, competition, and phage-host interaction shape microbial communities in biogas plants. Microbiome. 2019;7(1):69. (宏蛋白質(zhì)組研究沼氣植物中的微生物群落)
建立土壤差異宏蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù),并用于比較不同條件下土壤蛋白質(zhì)表達(dá)量差異，植物蛋白差異，有利于進(jìn)一步明確根際土壤微生態(tài)對(duì)植物生長(zhǎng)活動(dòng)帶來(lái)的影響。
圖4 蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)推斷的根際土壤蛋白質(zhì)代謝模型
1).Khatabi B, et al. Plant-Microbe Symbiosis: What Has Proteomics Taught Us?. Proteomics. 2019;19(16):e1800105. （蛋白組研究了解植物與微生物之間的共生關(guān)系）
2).Chen J, et al. Nitrogen Fertilizer Amendment Alter the Bacterial Community Structure in the Rhizosphere of Rice (Oryza sativa L.) and Improve Crop Yield. Front Microbiol. 2019;10:2623.（氮肥通過(guò)改變水稻根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，提高作物產(chǎn)量）
3).Renu, Gupta SK, Rai AK, et al. Metaproteomic data of maize rhizosphere for deciphering functional diversity. Data Brief. 2019;27:104574.（玉米根際的宏蛋白組研究用于解釋功能的多樣性）
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