生物信息技術在微生物研究中的應用

任志芳

（濮陽醫學高等?？茖W校 河南 濮陽 457000）

1 引言

隨著人類基因組計劃的各項任務逐步完成，與其相關的核酸、蛋白質的序列和相關數據大量增長，在面對這些海量及復雜的數據，需要通過生物信息技術對其進行分析，這也使得生物信息技術成為當今生命科學及自然科學的重要領域之一。微生物在生物學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行研究。生物信息技術的出現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據快速準確的實現微生物分型鑒定、溯源分析、微生物藥物合成和微生物致病機理的分析。

2 生物信息技術在微生物鑒定中的應用

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，利用生物信息技術來解決這個問題是當今最有效的手段。因為生物信息技術的出現是基于DNA序列、蛋白質序列和蛋白質結構的基礎，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候。過去對微生物的鑒定一般采用傳統的生化分型和表型分型這兩種方法，隨著生物信息技術的發展，DNA測序鑒定方法廣泛被應用，因為它比傳統方法更加準確、快速。如PacBio SMRT技術采用的是單分子測序方法，使用熒光信號進行測序工作，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，每個孔中均有DNA聚合酶，在測序的時候這些DNA聚合酶和模板結合，4色熒光對應4種堿基，在堿基配對階段，加入不同的堿基，就會發出不同的光，根據光的波長與峰值可以判斷進入的堿基類型。由于在一個特定的表面，單個分子可以增加獨立分析的DNA片段，所以該技術有更高的通量，并且還具有綜合連續長的讀長和準確性，這就提高了DNA測序的速度及準確度。綜合以上所述，生物信息技術在微生物鑒定中起到了不可替代的作用。

3 生物信息技術在微生物溯源分析中的應用

在面對微生物關系復雜的系統發育，生物信息技術可以通過構建進化樹來描述物種或分子之間的進化關系，這是生物信息技術在微生物溯源分析中最重要的應用。在科研人員日常對微生物研究過程中，當發現一種新型的病毒（假設命名為A1）的時候，首先要做的就是完成該病毒的全基因測序，通過基因對比從基因庫中找到同類型病毒進行系統發育分析，得出系統發育樹。在系統發育樹中找出與A1具有同源關系的其他病毒，說明這種新型病毒是由同源關系病毒進化而來。這種分析方式直接明了，能夠快速找到微生物的進化根源并找到應用方式。

4 生物信息技術在微生物藥物合成中的應用

微生物及其代謝物的多樣性為人類發現新藥提供了大力的支持，尤其是隨著生物信息技術的發展，針對微生物藥物藥物的研究世界各國都投入大量的人力、物力和財力，新型成果不斷出現，微生物藥物的研究進入到快速發展階段。尤其是在抗生素研發領域，各國科學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物。生物合成相對于傳統化學合成來說，它可以通過共價系統在不同結構的構建之間進行多次組合嘗試，最終形成不同的分子實體。所以生物合成就是在微生物次級代謝產物的合成過程當中對涉及到的一些酶的編碼基因之間進行交換、刪除或者添加，從而生成一些人為基因組從而產生一系列新的人工天然化合物?？汞懠菜幬锴噍锼?，主要從黃花蒿提取，由于受到耕地、環境、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年美國加州大學伯克利分校教授Keasling教授與生物技術公司Amyris合作啟動了青蒿素微生物合成項目。他們利用釀酒酵母生產青蒿酸，并且在2006年成功構建產青蒿酸的酵母菌株，產量達到115mg/L，通過發酵優化青蒿酸的產量可以達到2.5g/L。同時科研人員開發了從青蒿酸到青蒿素的化學合成方法，整個轉化過程的收率在40～45%，直至2013年4月，科研人員耗時十年完成了青蒿素的半合成工藝。這個研究成果今后會逐步替代傳統青蒿素的提取技術，讓越來越多的瘧疾患者使用上利用微生物生產的廉價的青蒿素藥物。隨著生物信息技術的發展，微生物合成技術作為一個新的天然藥物原材料生產工藝在今后藥物生產領域應用越來越廣泛，為人類健康提供更大的幫助。

5 生物信息技術在微生物致病基因研究中的應用

當前隨著生物信息技術的發展，科研人員對微生物的研究方向逐漸轉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。腸出血性大腸埃希菌O157：H7（EHEC O157：H7）是來源于食物的致病細菌中比較厲害一種，當感染了低劑量就能威脅到我們的生命。我國科學家利用生物信息技術建立了“基因組條形碼”注釋系統研究平臺，利用高通量測序技術注釋細菌基因組海量的序列數據，把生物信息技術與分子生物學實驗科學融合在一起，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。這項研究預測并初步確定了腸出血性大腸埃希菌O157：H7診斷靶標，通過全基因組掃描并分析出腸出血性大腸埃希菌O157：H7轉座因子插入序列后具有的功能。利用生物信息技術對腸出血性大腸埃希菌O157：H7的致病機理和診斷靶標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踐意義。生物信息技術幫助科研人員對微生物的種類組成、細胞數量及各個分類群的生態學功能的研究更加深入，也將為開發和利用微生物資源提供了指導。

6 結語

生物信息技術的發展，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。我們應該加大對生物信息技術硬件的投入，集中優勢資源在某些領域進行突破，逐步改變我國生物信息技術底子薄、基礎差的狀態。同時還要加大生物信息人才培養力度，針對生物信息技術人才建立完善的培養體系，做好生物信息人才梯隊建設。