微生物代謝組學研究應用進展

王希越 李秋穎 田媛媛

摘 要：代謝組學主要研究受到遺傳或環境擾動后生物體內小分子代謝物的變化，來揭示生物體的代謝特征，是功能基因組學研究的主要方法之一。近年來，后功能基因組學的研究及微生物細胞工廠的構建理念促進了代謝組學在微生物領域的研究應用。本文主要綜述了微生物代謝組學在微生物表型分類、新基因功能、代謝途徑、代謝工程等領域的研究應用進展。

關鍵詞：微生物代謝組學；表型分類；基因功能；代謝途徑；代謝工程

代謝組學自20世紀90年代由Nicholson提出后，其發展迅速，目前已被應用到生命科學中各個領域的研究。同基因組學、轉錄組學、蛋白質組學不同，代謝組學是對基因表達終端產物-代謝物進行研究，通過代謝物的變化闡述生物體的代謝狀態及生理功能。微生物代謝組學雖然發展較晚，但由于微生物易于培養、遺傳背景清楚，且和能源、環境、食品等領域都息息相關，所以微生物代謝組學研究越來越受到關注。本文主要對微生物代謝組學應用進展進行綜述。

1 微生物表型分類

代謝物是細胞生命活動的終端產物，通常基因上的微小變化在代謝物水平上都會被“放大”，產生明顯不同的代謝表型，所以利用代謝組學分析方法研究微生物代謝物譜的差異可以實現不同菌株的表型分類。在工業微生物研究上，釀酒酵母菌與非釀酒酵母菌的區分是非常重要的，傳統的鑒定方法如基于生物化學、形態學等差異不僅步驟繁瑣，而且鑒定能力有限。利用基因組學區分菌株的方法受到基因復雜性影響，會產生錯誤的分類結果或對遺傳關系近的菌株不能得到很好的區分，而代謝組學方法卻展現了很好的菌株區分能力。

Kang等采用LC-ESI-MS-MS方法對屬于7種木霉菌的33株菌的次級代謝產物進行分析，成功的將它們鑒別開[ 1 ]。近年有研究者利用GC-MS代謝輪廓的分析方法研究Rhizoctonia solani分類學，期望能找到有效的標志物構建用于Rhizoctonia solani分類的模型，發展高通量的Rhizoctonia solani分類方法[ 2 ]。

2 基因（酶）功能研究

雖然許多模式生物的基因已被解析出來，但仍有一半以上基因的功能是未知的，獲悉這些基因的功能，成為后基因組時代研究的主要任務之一。代謝組學是基因型與表型相關聯的直接紐帶，極大地促進了對未知基因（酶）功能的研究進展。

日本Keio大學Soga課題組，他們利用CE-MS分析方法對待測酶和大腸桿菌細胞提取物反應后的混合物進行分析，鑒定出大腸桿菌中兩個未知功能的酶YbhA和YbiV具有磷酸轉移酶和磷酸酶的活性[ 3 ]。有一些酶需要通過翻譯后修飾或和其他分子作用異構化后才能表現出活性，對于這些酶的研究人們結合分子生物學，發展間接體內代謝組學研究方法。

FANCY方法利用比較代謝組學方法對敲除已知功能基因與未知功能基因的酵母菌的代謝輪廓進行分析，如果他們具有相似的代謝表型，那么這兩個基因可能有相同的功能，即利用已知基因的功能推斷和其有相似代謝表型的未知基因的功能[ 4 ]。

3 代謝途徑

對于一些模式菌株如大腸桿菌、酵母菌等，雖然已構建了很詳細的代謝網絡圖，但仍存在一些我們未知的初級或次級代謝過程。結合同位素標記和代謝組學或通量組學對環境中的兩個重要微生物Geobacter metallireducens和Desulfovibrio vulgaris進行研究，分別發現了新的異亮氨酸合成途徑和三羧酸循環中檸檬酸異構體的合成過程。利用代謝組學分析方法對野生型大腸桿菌和各種遺傳修飾菌株的代謝輪廓進行分析，一條新的尿嘧啶一磷酸（UMP）降解途徑被發現，并鑒定出新酶活性（UMP磷酸酶）。

4 代謝工程

一直以來微生物被用于發酵產生各種人類生活的必需品，如抗生素、氨基酸、生物燃料、生物藥物等，而這些工業微生物前期的選擇與優化是一項巨大的工作。代謝組學作為功能基因組學的研究工具，為工程菌的改造提供新的解決思路。

通過代謝組學分析方法對代謝物進行定性、定量分析，找到代謝途徑或代謝網絡中影響目標物質產生的關鍵反應，針對靶標酶進行遺傳改造來提高目標產物的產生速率。

Hasunuma等利用代謝組學方法研究乙酸對酵母菌發酵木糖的影響，結果發現當加入乙酸時非氧化磷酸戊糖途徑中的物質（如7-磷酸景天庚酮糖，5-磷酸核酮糖，5-磷酸核糖）顯著增加，這說明乙酸存在阻礙了磷酸戊糖途徑物質向下游代謝，從而抑制了木糖發酵過程，相應的對磷酸戊糖途徑上編碼轉醛醇酶或轉酮醇酶基因過表達來增加磷酸戊糖途徑中的物質分解利用，就可以減少乙酸對木糖發酵的抑制作用，增加乙醇的產率。

5 展望

相對于代謝組學在植物學、病理學、醫藥學等領域的研究，微生物代謝組學仍在初步發展階段，但作為重要的物種之一，微生物結構簡單，易于培養，有豐富的遺傳信息，易于進行實驗設計，所以微生物代謝組學在基因功能研究中具有一定的優勢。

另外在現代資源能源短缺，環境污染嚴重的情況下，挖掘部分工業微生物的生產價值變得尤為重要，這更加促進了微生物代謝組學的研究應用。除此之外，微生物還關系到人類的身體健康，近年部分學者利用代謝組學對腸道菌群進行研究，以期找到預防或治療某些代謝疾病的方法。總之，微生物代謝組學作為新的研究領域，已成為研究熱點并迅速發展起來。

參考文獻：

[1] D Kang. J Microbiol Biotechnol，2011，21（1）：5-13.

[2] K A Aliferis，M A Cubeta，S Jabaji.Metabolomics，2011，9（S1）：159-169.

[3] N Saito， M Robert， S Kitamura， er al. J Proteome Res， 2006，5（8）：1979-1987.

[4] L M Raamsdonk， B Teusink， D Broadhurst， et al. Nat Biotechnol，2001，19（1）：45-50.