读书报告 吉伟利

读书报告 吉伟利 2017-05-14

IF:9.848

Part 1 前言

嗜热菌 55 超嗜热菌 80 与火山环境相邻的温泉通常是酸性的 (Urbieta 等 2014b) 石灰石附近的地区, ph 值为中性或微碱性 嗜热菌也可以在极度 ph 或高盐浓度的苛刻条件下生活 4

纯培 1%~10% 5

嗜热微生物在生物技术领域引起了极大的兴趣, 特别是在工业过程 ( 即 白色生物技术 white biotechnology ) 工业生产中从废物中去除重金属 工业酶来源 直接或间接地用于再生能源生产 6

1 近期嗜热菌的应用 2 嗜热菌原核生物的多样性 3 高级基因组测序技术如何扩大 对不可培养微生物的理解 7

Part 2 Diversity analysis Culture-dependent studies 16S rrna gene sequencing and cultureindependent studies Traditional culture-independent studies Shotgun metagenome and cultureindependent study

Culture-dependent studies 1%-10% 易培养的微生物可能不代表天然的微生物 Anoxybacillus, Geobacillus, and Meiothermus 影响多样性 : 凝胶剂培养基营养成分 ph 值培养温度气体水平 阻碍嗜热菌的生长 : 缓慢的自然生长速率培养基成分引起的抑制群体中其它细胞产生的抗菌物质缺乏群体感应信号所提供的营养物质的过度浓缩专性厌氧或兼性厌氧 琼脂 CO 9

Culture-dependent studies Candidatus bacteria have yet to be isolated and grown in laboratories. Costas et al. 倍增的缓慢生长时间 严格的生长条件 ( 高分压 CO2) 需要两种其它辅助菌株 10

Traditional culture-independent studies 16S rrna 基因是细菌上编码 rrna 相对应的 DNA 序列, 存在于所有细菌的基因组中 扩增了来自大量基因组 DNA 的近乎完整的 16S rrna 基因 克隆到克隆载体中 转化到合适的克隆宿主中 指纹法 ( 例如限制性内切酶片段长度多态性 (RFLP)) 11

Traditional culture-independent studies 手动操作, 该过程很费力扩增可能受温泉或土壤中存在的抑制剂的阻碍, 如腐殖酸中存在的抑制剂的阻碍 所谓的通用引物不能识别所有属的 16S rrna 基因, 因此不能扩增某些属 低拷贝数基因经常被忽略 这些限制中的一些常常可以使用微型引物 PCR 和工程化的 Taq DNA 聚合酶来克服 已经发现了许多不可培养的候选菌株 12

Partial 16S rrna gene sequencing and culture-independent studies 下一代测序 (NGS) 也被称为第二代测序, 可以以较低的测序成本分析更多的样品 13

Partial 16S rrna gene sequencing and culture-independent studies 这项研究的作者表明没有一个引物对可以完全扩增所有原核门或 16S rrna 基因 更短的读取长度和测序不完整的 16S rrna 基因序列具有不幸的后果, 许多独特和新颖的环境微生物很可能被遗漏 分析部分 16S rrna 基因突变型序列的方法目前在全球范围内使用, 不仅用于研究温泉中的微生物多样性也与沿海环境, 土壤样品, 城市废水处理, 和小鼠肠道 这种方法吸引了生态学家, 微生物学家和生物信息学家的关注, 14

Shotgun metagenome and culture-independent study who are they? 鸟枪法全基因组测序 相对昂贵的设置成本 what are they doing? how they are interacting? 对数据存储, 检索和分析要求非常高的计算能力 读数的分档和汇编非常具有挑战性, 需要大量的计算成本 15

Part 3 Genomes of prokaryotic thermophiles

超嗜热菌 Aquificaceae and Thermotogaceae Archaea( 古菌 ) 17

3.1Life under extreme conditions is made possible by special genome features GC 含量 Aquificaceae 43.4% 95 Caldisphaera spp. and Methanotorris spp. 30% 32.3% 大肠杆菌的 GC 含量达到 50.7% rrna / trna 的 GC 含量可能比基因组 DNA 的 GC 含量更好地表达嗜热性 18

3.1Life under extreme conditions is made possible by special genome features OGT 嗜热性 基因组 多种因素引起 平均来说, 每 1 kb 的细菌基因组编码一个基因 基于 1553 个原核生物的比较 <45 >6Mbp 的基因组 嗜热菌 平均 4Mbp found that thermophiles have less intergenic DNA, which makes their genomes compact. 举个例子, 其平均 OGT 为 100.5, 平均基因组大小仅为 1.67Mbp 19

3.1Life under extreme conditions is made possible by special genome features 稳定蛋白质 嗜热蛋白质的氨基酸长度比非嗜热生物体的氨基酸长度短 基于 204 个完整的细菌和古细菌蛋白质组, 已经发现 Ile, Val,Tyr,Trp,Arg,Glu 和 Leu 的氨基酸与 OGT 相关 从密码子使用, 氨基酸组成和核苷酸含量的角度讨论了嗜热菌的具体模式 嗜热菌也使用相容的溶质来稳定细胞成分 20

3.1Life under extreme conditions is made possible by special genome features 基因组时代不是所有的上述生物分子都仅在嗜热菌中发现 例如,DNA 热休克蛋白修复系统也存在于嗜温细胞中 伴侣蛋白 ( 辅助大分子的折叠 ) 丁胺 ( 认为稳定 DNA 和 RNA) DNA 微阵列精胺 ( 维持膜电位的核糖体 ) 多胺 ( 生长需要, 可能作为膜稳定剂 ) 转录组测序技术 α- 和 β- 亚基预折叠蛋白 ( 蛋白质折叠伴侣 ) SOS 调节子 (DNA 损伤反应 ) 其他 DNA 修复系统反相促旋酶 ( 热保护性 DNA 伴侣 ) 21

3.2 Horizontal gene transfer and symbiosis between thermophiles 水平基因转移 (HGT) Thermomicrobium genus Thermomicrobium roseum DSM 5159 contains a circular chromosome (2.0 Mbp) and a megaplasmid (919,596 bp) Candidatus Chloracidobacterium thermophilum co-cultured with Anoxybacillus and Meiothermus species 22

3.2 Horizontal gene transfer and symbiosis between thermophiles Candidatus Chloracidobacterium thermophilum 缺乏硫酸盐还原酶基因 Anoxybacillus and Meiothermu Ignicoccus hospitalis 宿主 Nanoarchaeum equitans 基因交换导致产生其他的生物化学功能 23

Part 4 Applications of thermophiles and thermozymes

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应用 1 生物能源 生物燃料 2 生物治疗 3 热酶 4 生物表面活性剂 27

1 生物能源 生物燃料 嗜热菌 木质纤维素 生产各种液体生物燃料 Caldicellulosiruptor, Caldanaerobius, and Clostridium spp. 生物氢可以通过由某些微生物如蓝细菌促进的阳光和水的光合转化来产生 蓝细菌能够将太阳能的 10% 转化为生物质可以通过有机废物的厌氧发酵来实现 28

通过酶反应的氢生产 燃料电池 : 燃料电池 (Fuel Cell) 是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置 燃料和空气分别送进燃料电池, 电就被奇妙地生产出来 将纤维素转化为葡萄糖, 然后将葡萄糖产物及其副产物 ( 葡糖酸 ) 转化成氢, 可获得生物氢 将葡萄糖转化为氢的过程在较高温度下更有效 ; 因此, 将标准酶替换为来自嗜热菌的酶 ( 即氢化酶 ) 是有意义的 Pyrococcus furiosus 深海 85 下效率最高 29

煤层中的甲烷 生物甲烷是一系列生物反应的结果, 其中煤被某些厌氧细菌转化为甲烷 印度的 Jharia coal mines 在 65 C 的甲烷产量为 49% 主要 : Methanoculleus thermophilus 30

2 生物治疗 生物修复可以定义为利用微生物 ( 本土或人为引入 ) 的环保污染治理技术, 通常以低成本将环境有机或无机污染物降解, 或转化为良性产物 生物修复期间固定有毒金属热的核废料中沉淀或固定有毒金属和放射性核素降解石油 ( 波斯湾原油泄漏 ) 与 Aeribacillus 和 Geobacillus 属相关的嗜热菌已经显示了几种难溶性芳香族化合物和碳氢化合物的生物降解能力生物过滤器, 用于除臭各种行业排出的气体 尽管无机和有机污染物的生物修复具有许多优点, 即比传统清理方法更具环保性, 运行成本更低, 但其缓慢是主要的缺点, 也是该技术尚未采用的可能原因 31

3 热酶 热酶的突出特性适用于采用高温的特定行业, 如纸浆和纸张, 食品, 酿造和饲料加工业 嗜热菌通常对恶劣条件 ( 例如化学变性剂, 宽 ph 范围和 / 或非水溶剂 ) 具有高度抗性 这些酶的实例是纤维素酶, 木聚糖酶, 果胶酶, 几丁质酶, 淀粉酶, 支链淀粉酶, 蛋白酶, 脂肪酶, 葡萄糖异构酶, 醇脱氢酶和酯酶 32

4 生物表面活性剂 生物表面活性剂是由微生物产生并有助于增强水不溶性化合物的乳化和分散的两亲性化合物 在食品, 农业, 药品, 石油和纸 / 纸浆相关行业中尤其明显, 因为其毒性较低 ; 更高的生物降解性 ; 更好的环境兼容性 ; 较高的泡沫形成 ; 在极端温度,pH 和盐度下具有更高的比活性 ; 可再生 Aneurinibacillus, Geobacillus, Alcaligenes, Bacillus, and Brevibacillus genera 33

已经开发了许多新颖的方法来尝试培育尚待培养的原核生物 (Pham 和 Kim,2012) 尽管做了这些努力, 但是仍然无法在实验室培养大量细胞 在黄石公园温泉早期工作期间, 许多未知的 16S rrna 序列被编码为候选分区, 也称为 Candidatus 培养基改造 16S rrna 重组基因组 功能基因芯片比如探针 代谢活动 和动力学

无法培养的嗜热菌 微流体学方法 单细胞操作 核酸含量不足的限制 玻璃微量移液器和光学显微镜的显微操纵器, 用于从水源直接捕获细菌, 然后进行全基因组测序 微流体流动, 激光镊子, 光电镊子, 微流体阵列, 流式细胞术和微滴乳剂 多链置换扩增的技术 这种技术能够进行全基因组扩增, 因此使得单细胞基因组的 NGS 甚至转录组成为可能

随着巨大的从全基因组测序和宏基因组测序, 转录组学, 代谢组学, 分泌物学和其他可能的信息来源产生的数据量, 现在可以获得大量的数据 单独增加序列数据不会推动科学 通过蛋白质生物化学, 结晶, 突变分析和 / 或基因敲除方法来确认许多新颖序列的功能和性质 传统的微生物分离应继续进行, 基因组测序不能取代其作用

请老师同学批评指正