生物信息技术在微生物研究中的应用

任志芳

（濮阳医学高等专科学校 河南 濮阳 457000）

1 引言

随着人类基因组计划的各项任务逐步完成，与其相关的核酸、蛋白质的序列和相关数据大量增长，在面对这些海量及复杂的数据，需要通过生物信息技术对其进行分析，这也使得生物信息技术成为当今生命科学及自然科学的重要领域之一。微生物在生物学中是最重要的分解代谢类群组，它的多样性在为人类提供广泛的未开发资源方面起着重要的作用，也常常被人类作为模式生物来进行研究。生物信息技术的出现对微生物的研究提供了一种新型手段，它可以帮助科研人员利用逐渐完善的微生物信息数据快速准确的实现微生物分型鉴定、溯源分析、微生物药物合成和微生物致病机理的分析。

2 生物信息技术在微生物鉴定中的应用

在对微生物的研究中，对微生物的高度遗传多样性的鉴定和对微生物的溯源都是难度较高的课题，利用生物信息技术来解决这个问题是当今最有效的手段。因为生物信息技术的出现是基于DNA序列、蛋白质序列和蛋白质结构的基础，能够帮助科研人员利用基因手段鉴定微生物提供了精确快速的手段，尤其是自面对新的微生物鉴定的时候。过去对微生物的鉴定一般采用传统的生化分型和表型分型这两种方法，随着生物信息技术的发展，DNA测序鉴定方法广泛被应用，因为它比传统方法更加准确、快速。如PacBio SMRT技术采用的是单分子测序方法，使用荧光信号进行测序工作，一边合成一边测序，把SMRT芯片作为测序载体，芯片上有很多小孔，每个孔中均有DNA聚合酶，在测序的时候这些DNA聚合酶和模板结合，4色荧光对应4种碱基，在碱基配对阶段，加入不同的碱基，就会发出不同的光，根据光的波长与峰值可以判断进入的碱基类型。由于在一个特定的表面，单个分子可以增加独立分析的DNA片段，所以该技术有更高的通量，并且还具有综合连续长的读长和准确性，这就提高了DNA测序的速度及准确度。综合以上所述，生物信息技术在微生物鉴定中起到了不可替代的作用。

3 生物信息技术在微生物溯源分析中的应用

在面对微生物关系复杂的系统发育，生物信息技术可以通过构建进化树来描述物种或分子之间的进化关系，这是生物信息技术在微生物溯源分析中最重要的应用。在科研人员日常对微生物研究过程中，当发现一种新型的病毒（假设命名为A1）的时候，首先要做的就是完成该病毒的全基因测序，通过基因对比从基因库中找到同类型病毒进行系统发育分析，得出系统发育树。在系统发育树中找出与A1具有同源关系的其他病毒，说明这种新型病毒是由同源关系病毒进化而来。这种分析方式直接明了，能够快速找到微生物的进化根源并找到应用方式。

4 生物信息技术在微生物药物合成中的应用

微生物及其代谢物的多样性为人类发现新药提供了大力的支持，尤其是随着生物信息技术的发展，针对微生物药物药物的研究世界各国都投入大量的人力、物力和财力，新型成果不断出现，微生物药物的研究进入到快速发展阶段。尤其是在抗生素研发领域，各国科学家通过对大量微生物基因序列的分析，找到了微生物合成的办法，通过合成酶基因工程把微生物合成天然产物。生物合成相对于传统化学合成来说，它可以通过共价系统在不同结构的构建之间进行多次组合尝试，最终形成不同的分子实体。所以生物合成就是在微生物次级代谢产物的合成过程当中对涉及到的一些酶的编码基因之间进行交换、删除或者添加，从而生成一些人为基因组从而产生一系列新的人工天然化合物。抗疟疾药物青蒿素，主要从黄花蒿提取，由于受到耕地、环境、气候及提取过程繁琐等原因的影响，制约着青蒿素原材料的来源。2004年美国加州大学伯克利分校教授Keasling教授与生物技术公司Amyris合作启动了青蒿素微生物合成项目。他们利用酿酒酵母生产青蒿酸，并且在2006年成功构建产青蒿酸的酵母菌株，产量达到115mg/L，通过发酵优化青蒿酸的产量可以达到2.5g/L。同时科研人员开发了从青蒿酸到青蒿素的化学合成方法，整个转化过程的收率在40～45%，直至2013年4月，科研人员耗时十年完成了青蒿素的半合成工艺。这个研究成果今后会逐步替代传统青蒿素的提取技术，让越来越多的疟疾患者使用上利用微生物生产的廉价的青蒿素药物。随着生物信息技术的发展，微生物合成技术作为一个新的天然药物原材料生产工艺在今后药物生产领域应用越来越广泛，为人类健康提供更大的帮助。

5 生物信息技术在微生物致病基因研究中的应用

当前随着生物信息技术的发展，科研人员对微生物的研究方向逐渐转向基因与基因之间甚至基因组的研究，通过对全基因组序列的同源性比较，可以寻找出致病菌所在的属、群、种、形、甚至是亚型等不同水平上的特异抗原，这样就为解决疾病提供了依据。肠出血性大肠埃希菌O157：H7（EHEC O157：H7）是来源于食物的致病细菌中比较厉害一种，当感染了低剂量就能威胁到我们的生命。我国科学家利用生物信息技术建立了“基因组条形码”注释系统研究平台，利用高通量测序技术注释细菌基因组海量的序列数据，把生物信息技术与分子生物学实验科学融合在一起，高通量地筛选及注释了肠出血性大肠埃希菌O157：H7的毒力岛。这项研究预测并初步确定了肠出血性大肠埃希菌O157：H7诊断靶标，通过全基因组扫描并分析出肠出血性大肠埃希菌O157：H7转座因子插入序列后具有的功能。利用生物信息技术对肠出血性大肠埃希菌O157：H7的致病机理和诊断靶标的研究成果在今后提高肠道传染病的防治及肠道病原菌诊断水平有着重要的理论和实践意义。生物信息技术帮助科研人员对微生物的种类组成、细胞数量及各个分类群的生态学功能的研究更加深入，也将为开发和利用微生物资源提供了指导。

6 结语

生物信息技术的发展，为微生物的研究提供了新的途径，对今后人类对微生物的利用提供了有力支持。我们应该加大对生物信息技术硬件的投入，集中优势资源在某些领域进行突破，逐步改变我国生物信息技术底子薄、基础差的状态。同时还要加大生物信息人才培养力度，针对生物信息技术人才建立完善的培养体系，做好生物信息人才梯队建设。