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1. 生物學研究，獲得對象的基因組（Genome）數據是必要條件 2. Genome本身只是數據，Genome-Driven Nothing 3. 配合多種實驗技術和分析策略，Genomics-Driven Anything
4. 新物質、新基因的鑒定可以參考如下若干策略 5. BGCs的發(fā)掘是合成生物學的前提條件 名詞解釋 Natural Products：天然產物，指以微生物或者植物細胞中的小分子化合物作為前體，衍生獲得的藥物化合物分子。如抗生素、藥物前體、植物次生代謝產物等等，都屬于天然產物。 BGCs：生物合成基因簇（Biosynthetic Gene Clusters），天然產物具有非常豐富的化學結構多樣性，但是編碼的基因卻組成較為保守的基因簇，在基因組中具有連續(xù)性和保守性。 OGs：直系同源基因對（Orthologous Groups），不同物種基因組中，編碼相同或相似功能產物的基因組合。 背景介紹 天然產物是發(fā)掘新型抗生素的寶庫 抗生素耐藥性指細菌、病毒、真菌等微生物發(fā)生基因組變異，使原有針對性的治療藥物變得無效。由于多粘菌素的抗菌能力最強，所以其被視為抗生素中“最后一道防線”。但是在2015年科學家發(fā)現了多粘菌素抗藥性菌株，讓人類的最后一道防線岌岌可危。中國的抗生素使用量占全世界的一半，目前濫用抗生素的問題已經引發(fā)了國民的高度關注。因此科學家急需從天然產物中分離新型藥物和抗生素前體。 天然產物是合成生物學應用的資源庫 合成生物學是一門綜合學科，即以傳統(tǒng)生物學獲得的知識與材料為基礎，在工程學與計算機的指導下對生物進行深度改造的學科。其在能源、化工、醫(yī)藥健康和環(huán)境保護等領域擁有非常廣闊的應用潛力。例如“生物塑料”合成，目前發(fā)現60個屬以上的細菌能夠合成并貯藏聚β-羥基丁酸（PHB，“生物塑料”）的顆粒（如假單胞菌屬、根瘤菌屬、固氮菌屬、芽孢菌屬等）。PHB無毒、可塑、易降解，可用于制作醫(yī)用塑料器皿和外科手術線等。而要使用合成生物學手段得到更高產、更多樣性的生物塑料生產菌株，明確PHB合成的BGCs是關鍵步驟。 天然產物尋找的策略  單菌基因組挖掘 （1）初期篩選目標菌株 （2）NGS+PacBio/Nanopore獲得單菌完成圖 Ps：由于編碼天然產物的基因經常存在于放線菌基因組中，而放線菌GC極端異常，建議使用PacBio/Nanopore技術進行基因組的測定。 （3）軟件鑒定BGCs （4）克隆BGCs，構建遺傳轉化體系 （5）產物純化與質譜鑒定
Ps：該方法比較經典，工作量較大，尤其集中在菌株的篩選，但效率與成功概率最高。 泛基因組挖掘 （1）獲得已知BGCs基因信息 （2）尋找海量單菌基因組數據（已公布） （3）同源基因分析，鑒定BGCs對應的OGs （4）克隆BGCs-OGs，構建遺傳轉化體系 （5）產物純化與質譜鑒定
Ps：建議同時分析抗性基因的分布，因為功能性BGCs經常與抗性基因存在基因組空間上的連續(xù)性。另外，該方法成功概率其實并不是很大——公開基因組信息的菌株一般已經被研究或正在被研究，存在風險。 宏基因組挖掘 （1）獲得環(huán)境樣品的DNA （2）構建BAC、fosmid等類型的長片段克隆文庫 （3）通過施加篩選條件，挑選能產生天然產物的克隆 （4）質譜檢測候選的天然產物
Ps：既然BGCs可能存在于環(huán)境中，那么是否能直接對環(huán)境樣品進行宏基因組測序，從而鑒定相應的BGCs？ 答：不行，但也行 不行：上面已經提到，BGCs通常存在于放線菌中，異常GC含量與復雜的基因簇結構會使組裝變得非常困難。如果使用常規(guī)的宏基因組測序方法，無法組裝出足夠長的contig序列，更別提進行BGCs鑒定。 行：三代測序平臺使Long Reads數據的成本極具下降，同時三代測序樣品制備不進行PCR過程，對GC異常區(qū)域沒有測序偏好，所以如果能用三代宏基因組數據進行組裝，獲得BGCs的可能性將顯著增加。 觀點1：雖然該方法存在理論上的可能性，但是成本高昂 觀點2：從各種環(huán)境中獲得BGCs變得非常迫切，如果能改進該方案，會有非常大的應用與科研價值。 BGCs鑒定軟件 軟件種類非常多，見下表：
推薦使用：antiSMASH
參考文獻 doi: 10.1093/bib/bbx146 https:///10.1016/j.tibtech.2017.10.009 |
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