微生物代谢组学研究应用进展

王希越 李秋颖 田媛媛

摘 要：代謝组学主要研究受到遗传或环境扰动后生物体内小分子代谢物的变化，来揭示生物体的代谢特征，是功能基因组学研究的主要方法之一。近年来，后功能基因组学的研究及微生物细胞工厂的构建理念促进了代谢组学在微生物领域的研究应用。本文主要综述了微生物代谢组学在微生物表型分类、新基因功能、代谢途径、代谢工程等领域的研究应用进展。

关键词：微生物代谢组学；表型分类；基因功能；代谢途径；代谢工程

代谢组学自20世纪90年代由Nicholson提出后，其发展迅速，目前已被应用到生命科学中各个领域的研究。同基因组学、转录组学、蛋白质组学不同，代谢组学是对基因表达终端产物-代谢物进行研究，通过代谢物的变化阐述生物体的代谢状态及生理功能。微生物代谢组学虽然发展较晚，但由于微生物易于培养、遗传背景清楚，且和能源、环境、食品等领域都息息相关，所以微生物代谢组学研究越来越受到关注。本文主要对微生物代谢组学应用进展进行综述。

1 微生物表型分类

代谢物是细胞生命活动的终端产物，通常基因上的微小变化在代谢物水平上都会被“放大”，产生明显不同的代谢表型，所以利用代谢组学分析方法研究微生物代谢物谱的差异可以实现不同菌株的表型分类。在工业微生物研究上，酿酒酵母菌与非酿酒酵母菌的区分是非常重要的，传统的鉴定方法如基于生物化学、形态学等差异不仅步骤繁琐，而且鉴定能力有限。利用基因组学区分菌株的方法受到基因复杂性影响，会产生错误的分类结果或对遗传关系近的菌株不能得到很好的区分，而代谢组学方法却展现了很好的菌株区分能力。

Kang等采用LC-ESI-MS-MS方法对属于7种木霉菌的33株菌的次级代谢产物进行分析，成功的将它们鉴别开[ 1 ]。近年有研究者利用GC-MS代谢轮廓的分析方法研究Rhizoctonia solani分类学，期望能找到有效的标志物构建用于Rhizoctonia solani分类的模型，发展高通量的Rhizoctonia solani分类方法[ 2 ]。

2 基因（酶）功能研究

虽然许多模式生物的基因已被解析出来，但仍有一半以上基因的功能是未知的，获悉这些基因的功能，成為后基因组时代研究的主要任务之一。代谢组学是基因型与表型相关联的直接纽带，极大地促进了对未知基因（酶）功能的研究进展。

日本Keio大学Soga课题组，他们利用CE-MS分析方法对待测酶和大肠杆菌细胞提取物反应后的混合物进行分析，鉴定出大肠杆菌中两个未知功能的酶YbhA和YbiV具有磷酸转移酶和磷酸酶的活性[ 3 ]。有一些酶需要通过翻译后修饰或和其他分子作用异构化后才能表现出活性，对于这些酶的研究人们结合分子生物学，发展间接体内代谢组学研究方法。

FANCY方法利用比较代谢组学方法对敲除已知功能基因与未知功能基因的酵母菌的代谢轮廓进行分析，如果他们具有相似的代谢表型，那么这两个基因可能有相同的功能，即利用已知基因的功能推断和其有相似代谢表型的未知基因的功能[ 4 ]。

3 代谢途径

对于一些模式菌株如大肠杆菌、酵母菌等，虽然已构建了很详细的代谢网络图，但仍存在一些我们未知的初级或次级代谢过程。结合同位素标记和代谢组学或通量组学对环境中的两个重要微生物Geobacter metallireducens和Desulfovibrio vulgaris进行研究，分别发现了新的异亮氨酸合成途径和三羧酸循环中柠檬酸异构体的合成过程。利用代谢组学分析方法对野生型大肠杆菌和各种遗传修饰菌株的代谢轮廓进行分析，一条新的尿嘧啶一磷酸（UMP）降解途径被发现，并鉴定出新酶活性（UMP磷酸酶）。

4 代谢工程

一直以来微生物被用于发酵产生各种人类生活的必需品，如抗生素、氨基酸、生物燃料、生物药物等，而这些工业微生物前期的选择与优化是一项巨大的工作。代谢组学作为功能基因组学的研究工具，为工程菌的改造提供新的解决思路。

通过代谢组学分析方法对代谢物进行定性、定量分析，找到代谢途径或代谢网络中影响目标物质产生的关键反应，针对靶标酶进行遗传改造来提高目标产物的产生速率。

Hasunuma等利用代谢组学方法研究乙酸对酵母菌发酵木糖的影响，结果发现当加入乙酸时非氧化磷酸戊糖途径中的物质（如7-磷酸景天庚酮糖，5-磷酸核酮糖，5-磷酸核糖）显著增加，这说明乙酸存在阻碍了磷酸戊糖途径物质向下游代谢，从而抑制了木糖发酵过程，相应的对磷酸戊糖途径上编码转醛醇酶或转酮醇酶基因过表达来增加磷酸戊糖途径中的物质分解利用，就可以减少乙酸对木糖发酵的抑制作用，增加乙醇的产率。

5 展望

相对于代谢组学在植物学、病理学、医药学等领域的研究，微生物代谢组学仍在初步发展阶段，但作为重要的物种之一，微生物结构简单，易于培养，有丰富的遗传信息，易于进行实验设计，所以微生物代谢组学在基因功能研究中具有一定的优势。

另外在现代资源能源短缺，环境污染严重的情况下，挖掘部分工业微生物的生产价值变得尤为重要，这更加促进了微生物代谢组学的研究应用。除此之外，微生物还关系到人类的身体健康，近年部分学者利用代谢组学对肠道菌群进行研究，以期找到预防或治疗某些代谢疾病的方法。总之，微生物代谢组学作为新的研究领域，已成为研究热点并迅速发展起来。

参考文献：

[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.