【派森诺项目文章】利用宏基因组学挖掘并验证棉花降解代谢新途径

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《Journal of Biotechnology》

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派森诺生物与华东理工大学合作，应用宏基因组学的方法，挖掘棉花降解中新的糖苷水解酶代谢路径，其研究成果于2016年发表于《Journal of Biotechnology》上（最新影响因子：2.667）。

1. 研究背景 

糖苷水解酶是水解酶家族中的一大类，隶属于糖基酶，是所有可水解糖苷键的酶类总称。近年来，随着糖类物质在生物学领域内的重要性越发凸显，关于糖苷酶的研究与应用也变得越发重要。在工业生产过程中，需要更高性能的糖苷水解酶，以便使生物质原料有效的降解为可发酵糖类。本文通过宏基因组学方法结合基因克隆、蛋白表达等手段，挖掘土壤微生物群落中，可以提高生物质转化和生物制品生产的新的生物质降解酶。

2. 研究方法 

样本来源：棉花种植地土壤样本

测序平台：Illumina MiSeq+HiSeq

首先通过MiSeq平台分别测序细菌16S V4区以及真菌ITS1区，获取样本中相应的菌群组成多样性及丰度等信息；然后利用HiSeq平台对样本进行宏基因组鸟枪法测序，并根据测序结果在CAZy数据库中比对获得相应糖苷水解酶信息；最后通过基因克隆，蛋白表达以及酶活性测定等方式挖掘新的糖苷水解酶。

3. 研究结果 

3.1 土壤微生物群落组成分析

MiSeq平台共产出57,883 条序列，根据97%相似度阈值归并划分出214个OTU，并发现在门水平优势菌群为Proteobacteria（72%）、Bacteroidetes（17%）、Firmicutes（10%），其中Proteobacteria中以Gamma-Proteobacteria（41%）与Beta-Proteobacteria（26.1%）为主；Bacteroidetes中以Cytophagales（14.3%）为主；Firmicutes中以Bacillus（9.99%）为主。

利用MetaPhlAn构建菌群结构分类等级树，以不同颜色区分各分类单元，并通过节点大小反映它们的丰度分布情况，从复杂的群落数据中快速发现优势的微生物类群

3.2 宏基因组数据分析

HiSeq平台共产出3.3Gb宏基因组数据，拼接组装后的Contigs数据提交到MG-RAST进行分析；共406,305条序列通过质量控制，并预测得到321,789个蛋白编码区进行后续分析；将这些蛋白通过BLASTX在CAZy数据库中进行比对，确定了32个最主要的糖苷水解酶类家族成员，包含2058个候选基因，其中丰度最高的三个家族为GH2、GH3以及GH43，并最终从这些基因中挑选24个作为克隆及蛋白表达分析。

32个最主要的糖苷水解酶家族，共包含2058个候选基因

3.3 糖苷水解酶基因的克隆表达及特性研究

被选定的糖苷水解酶基因通过PCR扩增及克隆到表达载体的方式引入到大肠杆菌等宿主中进行蛋白表达，并对细胞裂解液进行SDS-PAGE电泳，后续进行酶活性检测；最终挑选出16个在生物质转化及生物制品生产中存在潜在应用价值的糖苷水解酶基因克隆。

对于1GH_75-2，1GH_49以及1GH_368酶的最适温度和pH调查

4. 研究结论 

本研究描述了从棉花种植地土壤中鉴定的微生物群落参与粗棉生物降解的功能特性，通过宏基因组学的研究方法结合基因克隆、蛋白表达及酶活性测定等手段，成功筛选出16个在生物质转化及生物制品生产存在潜在应用价值的糖苷水解酶类基因，为研究生物质降解酶并结合生产实际提供了理论基础与研究思路。

0参考文献

Zhang G, Liu P, Zhang L, et al. Bioprospecting metagenomics of a microbial community on cotton degradation: Mining for new glycoside hydrolases[J]. Journal of Biotechnology, 2016, 234:35-42.

文案  微生物组事业部

派森诺生物

上海派森诺生物科技股份有限公司成立于2011年4月，总部坐落于上海市徐汇区聚科生物园区。派森诺生物是一家从事基因测序相关领域的科学研究与医学检测服务的高新技术企业，公司下设两家全资子公司：上海桑尼生物科技有限公司和上海派森诺医学检验所有限公司，经过多年的发展，公司已搭建了一代、二代、三代最完善的测序平台及生物信息分析平台，为客户提供包括高通量基因测序、临床医学基因检测、生物信息学服务、生物云计算、分子生物学实验、DNA合成等在内的一站式、全方位服务和系统解决方案。公司组建了国内一流水平的技术、研发、信息分析和管理团队，致力于成为国内领先的基因测序技术服务企业。