宏蛋白质组学：当蛋白质组遇上宏基因组，解锁微生物群落功能

宏蛋白质组学（Metaproteomics），是一门研究微生物群落中蛋白质表达的科学。它通过分析特定环境下，环境微生物表达的所有蛋白质，如肠道、土壤、活性污泥、水体和食品中微生物表达的所有蛋白质。分析并鉴定其种类、活性和功能，以深入了解微生物群落的活性功能和相互作用。

宏蛋白质组技术里程碑式进展时间图^[1]

宏蛋白质组研究意义

宏蛋白质组学直接研究微生物群落中的蛋白质，而蛋白质是生物学功能的直接执行者。因此，与宏基因组学和宏转录组学相比，宏蛋白质组学在揭示微生物群落的实际功能方面具有独特的优势，能够直接体现出在特定条件下微生物群落的功能状态和生物学活动，为理解微生物在环境和宿主中的作用提供了重要的视角。

通过宏蛋白质组学分析，研究人员可以定量分析微生物群落中的蛋白质表达及其变化，从而识别出涉及病原体、抗性发展、代谢途径等特定生物学功能的蛋白质。

通过分析微生物信号转导通路相关的蛋白质，可深入理解微生物与宿主之间的相互作用机制。将蛋白质表达数据与微生物群落的结构数据结合起来，可以分析特定群落结构与生物学功能之间的关系。

蛋白质组学不仅可以分析蛋白质的表达水平，还可以研究蛋白质的后修饰状态和蛋白质之间的相互作用。

宏蛋白质组应用场景

目前，宏蛋白质组学技术已经被广泛应用于人体微生物组、食品、土壤、海洋、活性淤泥等多个领域的研究。

肠道微生物研究：宏蛋白质组学有助于揭示微生物群落与宿主疾病（如炎症性肠病、肥胖、抑郁症等）之间的联系，并为疾病早期诊断和治疗提供新的靶点。

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食品与发酵工艺优化：宏蛋白质组学有助于理解发酵食品中的微生物群落如何影响产品的风味和品质，进而改进发酵工艺。

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环境监测与污染治理：宏蛋白质组学可以评估土壤、水体和大气的污染程度，并监测微生物在生物修复过程中的作用。

相关文章解读：2024年7月发表在Nature Communications上的一篇文章探讨了微生物之间的营养关系及其对海洋碳循环的影响。海洋中的蛋白质是重要的有机物质来源，反映了海洋微生物的代谢活动。研究者通过宏蛋白质组学分析来自太平洋、大西洋和南冰洋的深海水体中的微生物蛋白质，揭示了深海微生物群落的蛋白质组成和功能。研究发现，动物蛋白质在深海微生物蛋白质库中占主导地位，伽马变形菌在深海中的高代谢活性可能与其在溶解有机物质中的重要角色有关。同时，研究指出动物释放的尿素可能促进了硝化作用和溶解无机碳的固定，从而在深海碳循环中发挥关键作用。^[2]

宏蛋白质组研究流程

01

样品制备

由于微生物群落样本的复杂性和高度异质性，因此，样品处理是宏蛋白质组学研究的关键步骤。通常包括微生物的分离、富集、提取和裂解，以及去除宿主和其他非目标生物的污染。

02

质谱检测

质谱技术是宏蛋白质组学研究的核心，用于蛋白质的定性和定量分析。研究中常用的质谱数据采集模式包括数据依赖性采集（DDA）和数据非依赖性采集（DIA）。

03

数据库构建

构建一个全面的蛋白质序列数据库对于宏蛋白质组学至关重要，数据库的大小和完整性直接影响到蛋白质鉴定的数量和质量。基于宏基因组的蛋白质序列数据库是宏蛋白质组数据库构建的金标准。

04

数据分析

数据分析包括蛋白质鉴定、定量、物种注释以及功能注释。

05

数据挖掘

将数据分析的结果与表型数据相结合，以实现对研究问题的理解和解释。例如在肠道微生物研究中，主要比较不同生活环境、饮食习惯和喂养方式的样品之间物种、基因组成和功能、代谢通路的差异性，从而为健康、疾病预防等提供有效的参考信息。

宏蛋白质组分析流程^[1]

宏蛋白质组学产品介绍

华大科技凭借先进技术和丰富经验，为客户提供全面的宏蛋白质组学服务。服务涵盖水体、藻类、大曲、酒醅、粪便、发酵液和土壤等多种复杂样本类型，满足环境科学、食品工业、农业和医学等多个领域的研究需求。

分析流程

下机的数据先使用X!Tandem搜库软件进行迭代搜库，再根据一级质谱相关的肽段峰强度、峰面积、液相色谱保留时间等信息进行定量分析。基于鉴定结果，完成GO，COG(KOG)，Pathway等功能注释分析以及物种分类学分析。并基于定量结果，完成不同比较组间差异蛋白的查找，最后进行相应差异富集蛋白的功能和蛋白互作等分析。

宏蛋白质组学分析流程

部分分析结果

差异物种热图

物种和功能水平的Alpha多样性

各样本物种丰度堆叠柱状图

Phylum和KOG关联分析

产品优势

项目经验丰富，执行样本范围广泛，涵盖水体、藻类、大曲、酒醅、粪便、发酵液和土壤等多种样本类型。

在宏蛋白质组领域，自主或参与发表多篇学术文章。

技术权威有保证，参与全球实验室质评和DIA标准共建，参与人类蛋白组计划。

宏蛋白质组学已迅速发展成为微生物组学研究的关键工具，在疾病预防、环境监测和食品工业等领域展现出显著的应用价值。随着技术的持续创新和优化，宏蛋白质组学将为我们揭开更多生命奥秘，推动生命科学的发展。

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参考文献：

[1] Enhui WU and Liang QIAO. Microbial metaproteomics——From sample processing to data acquisition and analysis. Chinese Journal of Chromatography, 2024.

[2] Zihao Zhao, et al. Metaproteomic analysis decodes trophic interactions of microorganisms in the dark ocean. Nat Commun, 2024.

供稿：肖玲

编辑：市场部

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