宏蛋白质组学研究进展及应用_吴重德
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宏蛋白质组学研究进展及应用
宏蛋白质组学研究进展及应用吴重德;黄钧;周荣清【摘要】Metaproteomics is a newly emerging technology to investigate the micro-ecosystem in environmental system by proteomic approach,and it has shown powerful functions in the fields of environmental ecosystem.This review summarized the research strategies of metaproteomics and applications in wastewater biotreatment,soil and fermented food.It demonstrated the directions for future research in the field of microbial ecosystems.%宏蛋白质组学是近几年出现的一种应用蛋白质组学方法对环境微生态系统进行研究的一种新技术,已在环境生态领域研究中展示出了强大的功能.文中综述了宏蛋白质组学的研究技术及策略、介绍了其在污水生物处理、土壤及发酵食品微生物群落结构分析中的应用,并对其在环境微生态领域中的研究进行了展望.【期刊名称】《食品与发酵工业》【年(卷),期】2016(042)005【总页数】5页(P259-263)【关键词】宏蛋白质组学;二维电泳;环境微生物;微生物群落结构【作者】吴重德;黄钧;周荣清【作者单位】四川大学轻纺与食品学院,皮革化学与工程教育部重点实验室,四川成都,610065;酿酒生物技术及应用四川省重点实验室,四川自贡,643000;四川大学轻纺与食品学院,皮革化学与工程教育部重点实验室,四川成都,610065;四川大学轻纺与食品学院,皮革化学与工程教育部重点实验室,四川成都,610065【正文语种】中文人类基因组计划的完成，标志着生命科学研究进入了后基因组时代。
蛋白质组学技术研究进展及应用
蛋白质组学技术研究进展及应用一、本文概述蛋白质组学，一门专注于研究生物体内所有蛋白质的表达、结构、功能和相互作用的科学，已经成为现代生物学的重要分支。
随着科学技术的飞速发展，蛋白质组学技术在方法学上取得了显著的进步，其应用领域也在不断扩大。
本文旨在综述近年来蛋白质组学技术的最新研究进展，并探讨其在生命科学、医学、农业、工业等领域的应用。
我们将首先回顾蛋白质组学技术的发展历程，然后重点介绍当前的研究热点和前沿技术，最后展望其未来的发展趋势和潜在应用。
通过本文的阐述，我们希望能够为读者提供一个全面而深入的蛋白质组学技术研究进展及应用的概览。
二、蛋白质组学技术进展随着科技的飞速发展，蛋白质组学技术也取得了显著的进步，为生命科学的研究开辟了新的道路。
蛋白质组学技术主要包括蛋白质分离、鉴定、定量以及相互作用分析等关键技术环节。
在蛋白质分离技术方面，二维凝胶电泳（2D-PAGE）仍然是经典的蛋白质分离方法，但其分辨率和重现性有待进一步提高。
近年来，液相色谱（LC）和毛细管电泳（CE）等新技术逐渐崭露头角，这些技术具有更高的分离效率和分辨率，为复杂样品中的蛋白质分析提供了有力工具。
蛋白质鉴定技术也取得了显著进展。
传统的质谱技术（MS）已经得到了广泛应用，而新一代质谱仪器如质谱成像技术（MSI）和单分子质谱技术（SMS）的出现，极大地提高了蛋白质鉴定的准确性和灵敏度。
生物信息学和数据库技术的不断发展，也为蛋白质鉴定提供了更加完善的数据支持。
在蛋白质定量方面，稳定同位素标记技术（SILAC）和同位素编码亲和标签技术（ICAT）等定量方法的出现，使得对蛋白质表达水平的精确测量成为可能。
这些技术不仅提高了定量的准确性，还能够在复杂样品中同时检测多个蛋白质，大大提高了研究的效率。
蛋白质相互作用分析是蛋白质组学研究的另一个重要领域。
传统的酵母双杂交技术和免疫共沉淀技术仍然是常用的方法，但近年来，基于质谱的蛋白质相互作用分析技术（如亲和纯化质谱技术）的发展，为蛋白质相互作用研究提供了新的视角。
宏基因组学在环境工程领域的应用及研究进展
宏基因组学在环境工程领域的应用及研究进展宏基因组学在环境工程领域的应用及研究进展引言：随着环境问题日益严重，环境工程领域的研究和应用也成为了社会关注的焦点。
宏基因组学作为一项前沿的研究技术，已经在环境工程领域得到了广泛的应用。
通过分析环境样品中的大量DNA序列，宏基因组学可以对微生物群落的结构、功能以及与环境的相互关系进行全面细致的研究和探索。
本文将介绍宏基因组学在环境工程领域的应用及研究进展。
一、宏基因组学在环境监测中的应用1. 微生物群落结构的研究宏基因组学可以通过测序环境样品中的16S或18S rRNA基因，揭示微生物群落结构的多样性和组成。
通过比较不同环境样本中的微生物群落差异，我们可以了解微生物在不同环境条件下的分布情况，进而研究微生物间的相互关系以及与环境因子的相关性。
这对于环境保护、生态系统功能维护具有重要意义。
2. 生物地球化学循环的研究宏基因组学可以帮助我们研究生物地球化学循环过程中微生物参与的角色和作用。
通过分析微生物编码的功能基因，我们可以了解微生物的代谢途径、能量来源以及元素循环过程。
例如，通过研究土壤微生物群落的宏基因组，可以了解土壤中的氮、磷循环过程及微生物在其中的作用。
3. 污染物降解的研究宏基因组学可以通过研究微生物的代谢能力和基因组编码的降解功能基因，揭示微生物降解污染物的机制和潜力。
通过分析环境样品中微生物群落的宏基因组，可以筛选出具有降解能力的微生物，并发现新型的降解基因。
这对于环境污染治理和修复具有重要的意义。
二、宏基因组学在环境工程领域的研究进展1. 技术进步随着高通量测序技术的不断发展，宏基因组学分析的效率和准确度得到了显著提高。
新一代测序技术的应用，如Illumina HiSeq和PacBio等，使得大规模宏基因组研究成为可能。
同时，生物信息学分析工具的发展也为宏基因组学提供了更加强大的支持。
2. 多组学数据的整合宏基因组学不仅可以分析微生物的基因组，还可以结合其他组学数据，如宏转录组学和宏蛋白质组学等，全面了解微生物的结构和功能。
蛋白质组学技术研究进展及应用
蛋白质组学技术研究进展及应用随着基因组学研究的深入，人们发现基因组学存在一定的局限性，在这种背景下，20世纪90年代产生了一门以蛋白质组为研究对象，在整体水平上研究细胞内蛋白质的组成及其活动规律的新兴学科——蛋白质学。
随着人类基因组草图2001年的正式发表和2003年4月的最终完成，科学家们又进一步提出了后基因组计划，蛋白质组(proteome)研究便是其中一个很重要的内容。
蛋白质组学(Proteomics)是作为功能基因组学的重要支柱，并已同基因组学(Genomics)和生物信息学(Bioinformatics)一起成为新世纪生命科学研究的前沿和热门领域，Nature，Science杂志在公布基因组序列草图的同时，分别发表了述评和展望，将蛋白质组学的地位提到前所未有的高度，认为它是功能基因组学前沿研究的战略制高点和新世纪最大的战略资源——“有用基因”争夺战的重要“战场”。
1 蛋白质组学的概念、研究内容及意义蛋白质组(proteome)源于protein和genome两词的杂合，最早是由澳大利亚的WILKINS等于1995年提出，其定义为“一种基因组所表达的全部蛋白质”。
因蛋白质组具有时空性和可调节性，蛋白质组的概念实际指在特定时刻、特定环境和实验条件下基因组所表达的全部蛋白质。
蛋白质组学的核心在于大规模地对蛋白质进行综合分析，通过对某种物种、个体、器官、组织或细胞的全部蛋白质性质(包括表达水平、结构、分布、功能、丰度变化、翻译后修饰、细胞内定位、蛋白质与蛋白质的相互作用、蛋白质与疾病的关联性)的研究，对蛋白功能做出精细和准确的阐述。
蛋白质组学最有价值的优势是它可以观察在特定的时间下一个完整的蛋白质组或蛋白亚型在某种生理或病理状态中，发生的相应的变化。
蛋白质组学的研究内容主要有两方面：结构蛋白质组学和功能蛋白质组学。
结构蛋白质组学主要是蛋白质表达模式的研究，包括蛋白质氨基酸序列分析及空间结构的解析。
宏蛋白质组学在酒曲酶学及蛋白组成功能研究中的应用
中国酒曲历史悠久，其独特的制作技术可追溯到四五千年前，是世界上最早保存酿酒微生物及其代谢产物的技术。
酒曲的发明，是我国古代人民对世界的重要贡献，被称作中国“第五大发明”。
中国酒曲种类丰富，包括酿造白酒的大曲、小曲和麸曲以及酿造黄酒的麦曲等。
酒曲既是糖化发酵剂，又是酿酒原料，同时也能为酒体提供风味物质和生香前体物质[1]，对酒中的香气和风味物质具有重要贡献，可以说，在一定程度上，酒曲的质量决定了酒的质量。
中国酒曲多采用生料制曲，经自然接种，多菌种混合发酵而成，这样做有利于保存原料中的丰富酶系，同时，在制曲过程中，丰富的微生物种群产生了大量的酶类及其他风味物质前体物，这些酶蛋白和风味物质前提物，是实现酒曲功能及构成酒体香气风味的生物化学基础[2]。
了解曲中酶和蛋白的组成及功能，对探究酒中风味物质的产生机理及提升酒体风味品质具有重要作用，要研究酒曲的功能，解释其发酵过程的酿造机理，就要从总体上对酒曲的蛋白质进行研究，即进行宏蛋白组学研究。
1 宏蛋白质组学及研究方法1994年，Wilkins和Williams首次提出了蛋白质组学的概念，它是指细胞、组织或机体所表达的全部蛋白质。
蛋白质组学应用范围较广，例如诠释基因组、研究蛋白质的表达及功能，以及蛋白质-蛋白质相互作用等[3]。
然而蛋白组学的研究对象一般为纯培养微生物的代谢物、单一细胞或组织[3]。
对组成复杂、含有大量未能培养微生物的样品，如酒曲等，蛋白组学的研究就不是很适用。
因此，采用宏蛋白质组学对组成复杂的物质的所有蛋白质进行研究就显得非常重要。
宏蛋白质组学的技术流程主要包括：样品（蛋白质）的制备，蛋白分离以及蛋白鉴定。
1.1 样品制备在酒曲宏蛋白质组学研究中，样品的制备即为酒曲中总蛋白质的提取，这是酒曲宏蛋白组学技术研究的关键及前提，蛋白样品制备的优劣往往决定着后续研究的成败。
由于酒曲中微生物菌群组成复杂、差异较大，且酒曲中存在有一定数量的低丰度功能蛋白需要纯化，目前还没有一种提取酒曲宏蛋白的通用方法，因此，在具体的研究过程中，需要根据研究对象的性质及特点，选择合适的方法对酒曲中的总蛋白进行提取。
宏基因组学研究进展
宏基因组学研究进展在生物学领域，宏基因组学作为一门新兴的前沿学科，为我们揭示了大量未知的生物世界奥秘。
本文将通过介绍宏基因组学的基本概念、研究现状、研究方法、研究成果及其局限性，带领大家全面了解宏基因组学的研究进展。
宏基因组学是一门研究存在于生物群落中的基因及其多样性的学科。
它通过运用高通量测序、生物信息学和系统生物学等技术手段，对整个生态系统中的微生物基因组进行深入研究，旨在揭示微生物群落中隐藏的生物多样性和生态功能。
随着16S rRNA基因测序技术的发展，宏基因组学研究取得了突破性进展。
尤其是近几年，宏基因组学研究在环境微生物多样性、病原菌感染机制以及生物医药等领域表现出巨大的应用前景。
发展趋势表明，宏基因组学将进一步推动生命科学领域的发展，为人类解决一系列生态和健康问题提供有力支持。
在宏基因组学研究中，实验设计、数据分析和模型构建等方面都至关重要。
实验设计需要考虑样品的采集、处理和文库构建等环节；数据分析则需借助一系列生物信息学技术和算法，对海量数据进行有效挖掘和精准解析；模型构建则需要以数据为基础，构建能准确描述微生物群落结构和功能的数学模型。
宏基因组学研究已经取得了一系列令人瞩目的成果。
例如，通过研究海洋微生物群落，科学家发现了许多新的微生物种类和基因，揭示了海洋生态系统的运行机制；同时，宏基因组学研究还在病原菌感染、生物医药等领域表现出极大的应用潜力，为解决一些重大疾病提供了新的思路和方法。
这些成果不仅丰富了我们对生物世界多样性的认识，也为我们提供了大量宝贵的生物资源。
然而，尽管宏基因组学研究已经取得了显著的成果，但仍存在一定的局限性。
例如，采样过程中可能会受到污染，导致结果出现偏差；另外，数据分析过程中可能存在技术难点，如噪声数据的处理、稀有物种的检测等。
此外，宏基因组学研究还面临着理论和方法上的挑战，例如如何构建更为精准的微生物群落模型，如何将宏基因组学研究成果应用于实践等等。
总之，宏基因组学作为一门新兴的生物学分支，为我们揭示了大量未知的生物世界奥秘。
宏蛋白质组学
如何认识这些不可培养微生物以及如何对其利用是值得研 究者深入思考的问题。
2005 年, 美国一项针对切萨皮克海湾(Chesapeake)的蛋
白质组学研究, 被认为是第一个研究纯天然环境的宏蛋白
质组学工作, 研究者利用滤膜收集了海湾不同水域的微生
物群落, 利用2D电泳展示了其蛋白质组, 并通过质谱方法 鉴定了部分蛋白。
析，并研究这些蛋白质的来源及其在生态系统中的功能。 对土壤样品中的蛋白质组成分析表明大多数蛋白质是细菌 蛋白质，湖水表层水样中78％的蛋白质也来自细菌；而 在森林采取的水样中，来自植物，真菌和脊椎动物的蛋白 质含量约是湖水样品中的2倍。有趣的是，森林土壤中的 细菌蛋白数量在冬天比夏天多。 当把所有发现的已知功能的蛋白质进行比较时发现，在湖 水和森林样品中的蛋白质组成存在不同。 降解复杂分子的过氧化物酶只在来自森林土壤的水样品中 发现，而与甲烷合成有关的酶只在湖水样品中发现。 不同微生物群体及其功能不同，从而反应出微生物生态系 统的整体变化。
蛋白质组学的一般研究策略
早期环境微生物研究主要依赖于纯培养技术，在过去的25
年中，依靠纯培养技术所进行的研究揭示了一些有关环境 微生物的组成及其多样性的信息。 但是，环境微生物仅有一小部分可培养，其余大多数为未 培养微生物，宏基因组学的出现部分弥补了传统的研究方 法所存在的局限性。
蛋白质组学的一般研究策略
宏基因组学其弊端也显现出来：由于重复基因的
存在、基因表达的时空特异性和蛋白质修饰作用 等原因，复杂环境条件下环境微生物基因特异性 表达及其功能并不能通过宏基因组学的研究得到 揭示，而这种信息往往是生态环境中最重要的部 分 宏蛋白质组学的出现弥补了这个弊端。
蛋白质组学的一般研究策略
不同环境含有高浓度有机物的水样品进行宏蛋白质组成分
2005 年, 美国一项针对切萨皮克海湾(Chesapeake)的蛋
白质组学研究, 被认为是第一个研究纯天然环境的宏蛋白
质组学工作, 研究者利用滤膜收集了海湾不同水域的微生
物群落, 利用2D电泳展示了其蛋白质组, 并通过质谱方法 鉴定了部分蛋白。
析，并研究这些蛋白质的来源及其在生态系统中的功能。 对土壤样品中的蛋白质组成分析表明大多数蛋白质是细菌 蛋白质，湖水表层水样中78％的蛋白质也来自细菌；而 在森林采取的水样中，来自植物，真菌和脊椎动物的蛋白 质含量约是湖水样品中的2倍。有趣的是，森林土壤中的 细菌蛋白数量在冬天比夏天多。 当把所有发现的已知功能的蛋白质进行比较时发现，在湖 水和森林样品中的蛋白质组成存在不同。 降解复杂分子的过氧化物酶只在来自森林土壤的水样品中 发现，而与甲烷合成有关的酶只在湖水样品中发现。 不同微生物群体及其功能不同，从而反应出微生物生态系 统的整体变化。
蛋白质组学的一般研究策略
早期环境微生物研究主要依赖于纯培养技术，在过去的25
年中，依靠纯培养技术所进行的研究揭示了一些有关环境 微生物的组成及其多样性的信息。 但是，环境微生物仅有一小部分可培养，其余大多数为未 培养微生物，宏基因组学的出现部分弥补了传统的研究方 法所存在的局限性。
蛋白质组学的一般研究策略
宏基因组学其弊端也显现出来：由于重复基因的
存在、基因表达的时空特异性和蛋白质修饰作用 等原因，复杂环境条件下环境微生物基因特异性 表达及其功能并不能通过宏基因组学的研究得到 揭示，而这种信息往往是生态环境中最重要的部 分 宏蛋白质组学的出现弥补了这个弊端。
蛋白质组学的一般研究策略
不同环境含有高浓度有机物的水样品进行宏蛋白质组成分
宏基因组学在环境工程领域的应用及研究进展
宏基因组学在环境工程领域的应用及研究进展宏基因组学在环境工程领域的应用及研究进展摘要：宏基因组学是一门应用最大限度地利用高通量测序技术研究环境样品中全部生物基因组的新兴学科。
宏基因组学在环境工程领域具有广泛的应用前景，可以帮助我们更好地理解和管理环境中的生物多样性、生态功能以及生物过程。
本文对宏基因组学在环境工程领域的应用及研究进展进行了综述，并对其未来的发展进行了展望。
1. 引言随着高通量测序技术的不断发展和成本的不断降低，宏基因组学逐渐成为研究环境样品中全部生物基因组的一种重要工具。
相比于传统的微生物学研究方法，宏基因组学具有检测范围广、分析效率高、数据解读全面等优势。
因此，它在环境工程领域的应用也越来越受到关注。
2. 宏基因组学在环境样品中的应用宏基因组学主要通过对环境样品中的DNA进行高通量测序，并通过生物信息学分析来研究样品中全部生物基因组的组成、结构和功能。
它的应用范围非常广泛，包括但不限于以下几个方面：2.1 环境中的微生物多样性研究宏基因组学可以帮助我们了解环境中微生物的多样性，包括细菌、真菌、病毒等微生物的丰度、分布及其相互作用。
通过对环境中微生物基因组的研究，可以揭示微生物在环境中的生态和功能特征，为环境管理提供科学依据。
2.2 环境中的功能基因组学研究宏基因组学可以帮助我们研究环境中的功能基因组，即与特定生物过程或功能相关的基因组。
通过对环境样品中的宏基因组测序和分析，可以了解环境中某些特定功能基因的丰度、分布和活性，从而推测环境中相应生物过程的发生情况。
2.3 环境中的新物种发现与鉴定宏基因组学不仅可以帮助我们发现环境中新的微生物物种，还可以帮助我们对其进行鉴定和分类。
通过对环境样品中的宏基因组进行测序和比对分析，可以识别和描述新物种的基因组特征，进而进行分类和命名。
3. 宏基因组学在环境工程领域的研究进展宏基因组学在环境工程领域的研究进展主要体现在以下几个方面：3.1 应用方法的改进随着技术的不断发展和创新，宏基因组学的应用方法也在不断改进。
蛋白质组学研究与应用
蛋白质组学研究与应用随着科技的不断进步和科学研究的不断深入，蛋白质组学作为一门新兴的技术和研究领域，正在逐步发展和应用于生物医药领域。
蛋白质组学，简单来说，就是对蛋白质组的研究，它包括对蛋白质结构、功能、表达和相互作用等方面的研究。
下面，我们将深入探讨蛋白质组学研究和应用，以及它们对生物医药领域的影响。
一、蛋白质组学研究1. 蛋白质组学技术目前，蛋白质组学技术主要分为两大类，即蛋白质质谱技术和蛋白质芯片技术。
蛋白质质谱技术是将蛋白质分离后用质谱技术进行分析，可以得到蛋白质的质量、序列、结构和表达水平等信息。
而蛋白质芯片技术则是将蛋白质固定在芯片上，利用芯片上的探针检测蛋白质的表达和相互作用。
2. 蛋白质组学研究内容蛋白质组学研究的内容非常丰富，主要包括以下几个方面：（1）蛋白质组学在疾病诊断和治疗方面的应用。
比如通过分析肿瘤细胞的蛋白质组成进行癌症诊断，或者通过分析抗生素对细菌蛋白质的影响，寻找新型抗生素。
（2）蛋白质相互作用的研究。
蛋白质之间的相互作用是生命活动中的重要环节，研究蛋白质相互作用可以揭示细胞信号传导、代谢调控等生命活动的机制。
（3）蛋白质的功能和结构研究。
蛋白质的功能和结构是研究蛋白质功能和生命活动的基础，研究蛋白质的功能和结构可以揭示生命活动的机理。
二、蛋白质组学应用1. 药物研发与筛选蛋白质组学在药物研发与筛选方面的应用非常广泛。
通过研究蛋白质相互作用、识别关键蛋白质作用靶点等技术，可以研发出具有高效性和特异性的药物，并对药物的毒副作用和治疗效果进行评估，提高药物的研发效率和成功率。
2. 病理诊断与治疗蛋白质组学在病理诊断与治疗方面的应用也非常广泛。
例如，通过分析患者体液和组织中的蛋白质组成，可以帮助诊断疾病，如癌症、糖尿病、多发性硬化等。
此外，蛋白质组学还可以作为疾病治疗的靶点，研究药物的作用机理和治疗效果。
3. 基因组学和蛋白质组学的结合蛋白质组学和基因组学的结合，可以帮助我们更深入地研究蛋白质功能和相互作用。
宏基因组学的研究现状和发展趋势
宏基因组学的研究现状和发展趋势一、本文概述宏基因组学，作为一个综合性的生物学研究领域，近年来在科研界引起了广泛的关注。
它利用高通量测序技术，对环境中所有微生物的遗传物质进行研究，从而深入探索微生物群落的组成、功能以及它们与环境的相互作用。
本文旨在概述宏基因组学的研究现状，包括其在不同生态环境中的应用、关键技术的进展以及面临的挑战；还将探讨宏基因组学未来的发展趋势，如数据分析和解释方法的改进、新技术的应用以及其在生物技术、医学和环境保护等领域的潜在价值。
通过对宏基因组学的研究现状和发展趋势的全面分析，我们期望能够为读者提供一个清晰而深入的理解，以推动该领域的持续发展和创新。
二、宏基因组学的研究现状宏基因组学作为一门新兴交叉学科，近年来取得了显著的研究进展。
其研究现状主要体现在以下几个方面：技术方法的不断革新：随着高通量测序技术的飞速发展，宏基因组学在样本准备、测序深度和数据分析等方面均取得了显著突破。
比如，新一代测序技术（Next-Generation Sequencing, NGS）使得科研人员能够更快速、准确地获取大量微生物群落的遗传信息。
微生物群落多样性的深入探索：宏基因组学研究已经从最初的描述性分析转向对微生物群落功能的深入研究。
通过对不同环境样本中微生物群落的宏基因组测序，科研人员能够更全面地了解微生物群落的组成、结构和功能，从而揭示微生物与宿主、环境之间的相互作用关系。
疾病机制研究的拓展：宏基因组学在疾病机制研究方面发挥了重要作用。
通过对疾病样本的宏基因组分析，科研人员能够发现与疾病发生发展相关的微生物群落变化，为疾病的预防和治疗提供新的思路和方法。
生态环境保护的应用：宏基因组学在生态环境保护领域也展现出了广阔的应用前景。
通过对不同生态系统中微生物群落的宏基因组研究，可以评估生态系统的健康状况，为生态环境保护提供科学依据。
然而，尽管宏基因组学取得了显著的研究进展，但仍面临诸多挑战。
例如，数据解析的复杂性、微生物群落动态变化的监测以及宏基因组学与表型之间的关联分析等。
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［15 ］
腐殖酸和蛋白质， 然后进一步用酚抽提， 除去腐殖酸 等， 然后进行了蛋白质组学研究， 同时该方法还成功 应用于分析被氯苯污染的地下水样品 ， 但是经过预处 理后的样品蛋白得率较低， 需要经过预培养才能获得 足够分析的蛋白浓度。 这些研究显示了宏蛋白质组 学研究在揭示生态环境功能中具有重要作用。 SINGLETON 等［27］采用宏蛋白质组学的方法比较了镉污 染的土壤中微生物生物量与蛋白质含量的关系 ， 结果 表明， 被镉污染的土壤， 其中的总蛋白的含量显著低 PAGE 分析表明， 于未被污染的土壤样品， 利用 SDS被镉污染的土壤中存在小分子质量的蛋白 （ 如金属 硫蛋白） 表达。研究结果为土壤污染检测、 生态修复 ［17 ］ 等奠定了方法学基础。 SCHULZE 等 研究了不同 环境溶解态有机物 （ DOM，dsolved oganic mtter ） 中蛋 白质的组成， 研究发现， 来自湖泊的蛋白质有 78% 来 自于细菌， 而森林土壤中只有不到 50% 来自于细菌。 分析落叶林土壤微生物发现， 随着土壤取样深度的增 加和土壤有机碳含量的降低， 鉴定的蛋白数量从 75 种降低到 28 种。同时研究不同季节的森林土壤宏蛋 白组发现冬天的土壤中鉴定的蛋白比夏天多 50% 。 研究还首次将宏蛋白组学用于生态元素循环上 ， 希望 找到与生态循环有关的胞外蛋白。 将云杉的树皮进 行环带切除以阻止碳元素运输到根际 ， 结果根际土壤 的蛋白组成发生明 显 变 化， 蛋 白 数 量 减 少 了 50% 。 ， 此外 在森林土壤中还分离到了纤维素酶和漆酶 ， 表 明土壤有机物的分解发生在土壤颗粒表面的生物膜 ［17 ］ 上 。 2. 3 宏蛋白质组学在发酵食品微生物群落结构分析 中的应用 发酵食品体系作为一个独特的微生态系统 ， 其中 的微生物群落结构复杂、 功能多样， 与发酵食品的品 质和风味有直接的关系。 深入剖析发酵食品中的微 生物群落结构为进一步改进食品发酵工艺 、 探究食品 风味形成机理提供了理论基础。 然而由于食品样品 的复杂性， 利用宏蛋白质组学技术解析其群落结构的 研究才刚刚起步。张武斌等 对汾酒大曲宏蛋白质 组的制备与双向电泳的条件的进行了研究 ， 分别对样
获得和鉴定的蛋白数量 638 /46 5029 /2378 588 /78 500 /109 -a / 50 -/26 -/240 -/ ＞ 500 145 /124 -/51 -/16 参考文献 ［ 13］ ［ 14］ ［ 15］ ［ 16］ ［ 17］ ［ 18］ ［ 19］ ［ 11］ ［ 20］ ［ 21］ ［ 22］ ［ 23］
［10 ］
2
宏蛋白质组学研究举例
随着环境微生物基因组数据库的逐渐完 近年来，
善， 宏蛋白质组学在环境生态系统研究中的应用也日 益广泛， 主要集中在土壤生态系统、 废水生物处理、 发 酵食品等环境微生物方面（ 表 1 ） ， 这也为全面认识环 境系统中微生物的功能奠定了基础 。
宏蛋白质组学在环境生态系统中的应用
Applications ofmetaproteomics in environmental ecology
研究方法 2DPAGE ，MALDITOFMS 2DLC， ESIMS / MS 2DPAGE，MALDITOFMS 2DPAGE ，MALDITOFMS / MS NanoLC，MS / MS 2DPAGE ， LCESIMS 2DPAGE ， LCESIMS 2DnanoLCMS / MS 2DPAGE ，MALDITOF / TOFMS 2DPAGE 2DPAGE ，nanoLCMS / MS 2DPAGE ，MALDITOF / TOFMS
。2004 年，
ＲODＲGUEZVALEＲA 提出了宏蛋白质组 （ Metaproteome） 的概念， 即环境中所有生物的蛋白质组的总 和
［3 ］
。本文主要介绍了宏蛋白质学的研究现状及应
用， 并对其研究及发展趋势进行了展望 。
1
宏蛋白质组学及研究方法
自从蛋白质组学的概念提出以后 ， 关于蛋白质组
259
食品与发酵工业
FOOD AND FEＲMENTATION INDUSTＲIES 白组及功能蛋白组的分析奠定基础。 色谱法通常采 用液相分离法， 相对于二维电泳技术， 色谱技术操作 方便， 分离效果更优， 但是分辨率和直观性较差。 蛋白的鉴定常用质谱方法进行， 常用的方法有串 联质谱（ MS / MS） 、 基质辅助激光解析时间飞行质谱 （ MALDITOF / MS ） 、 四 级 杆飞 行 时 间 串 联 质 谱 （ QTOFMS） 等。KAN 等［12］利用宏蛋白质组学的方法对 Chesapeake 海湾海水中的微生物群落进行了研究 ， 分 TOF 和 MS / MS 对相关蛋白进行了鉴 别利用 MALDI， MS 技术鉴定蛋白匹 定 研究结果表明， 采用 MALDI配度较低， 不合适对环境中蛋白质样品进行分析 。此 外， 在蛋白鉴定中， 数据库的选择也很重要， 可以根据 特定的研究对象选择合适的数据库进行搜索 ， 数据库 中蛋白质来源相似度越高， 则蛋白质鉴定的准确性也 越高， 特别是一些未培养的微生物， 由于缺少相关蛋 白的信息， 对宏蛋白质的鉴定构成严重挑战。 因此， 进一步丰富宏蛋白质组数据库是宏蛋白质组学研究 中亟待解决的问题。
等
Hale Waihona Puke ［24 ］PAGE 技术分 。2004 年， WILME 等［25］ 应用 2D-
析了实验室水平的具有生物除磷功能的活性污泥微 生态系统， 并首次提出了宏蛋白质组学的概念 。应用 四级杆飞行时间质谱对相关蛋白进行了鉴定， 研究 发现 活 性 污 泥 中 具 有 除 磷 功 能 的 优 势 微 生 物 为 Ｒhodocyclus 等 未 培 养 微 生 物。 在 随 后 的 研 究 中 WILMES 等［13］继续利用宏蛋白质组学的方法， 阐明 了微生物的更替对增强的生物除磷 （ EBPＲ ） 的重要 作用。在选定的 111 个蛋白点中鉴定了 46 个蛋白， 并对这些蛋白质的功能进行了解析， 研究发现， 这些 、 蛋白质主要与参与糖原的合成与分解 三羧酸循环、 脂肪酸的合成、 磷的转运以及胁迫响应有关， 研究结 果为聚磷菌的代谢活性及污水中物质转换提供了直 接证据， 同 时 为 污 泥 除 磷 机 制 的 研 究 奠 定 了 基 础。 利用宏蛋白质组学的方法研究了活 性污泥中双酚 A 和壬基酚的降解机制。 对苯二酚双 加氧酶（ HQDO） 是双酚 A 和壬基酚生物降解中的一 种特 有 标 记 物 （ 酶 ） ， 可 由 鞘 氨 醇 单 胞 菌 （ Sphingomonas sp. TTNP3 ） 代谢产生。 作者分别构建了纯 化的 HQDO 和纯培养的 TTNP3 的二维电泳参考图 谱， 然后将 TTNP3 按照不同的梯度分别接种到活性 污泥样品中， 建立活性污泥的宏蛋白质图谱。然后将 纯培养的电泳参考图谱和活性污泥的宏蛋白质图谱 进行比对， 在宏蛋白组图谱上找到了对应的 HQDO 的亚基 HqdB 。可以通过检测 HqdB 了解废水处理系 统中双酚 A 和壬基酚的降解情况。 因此， 将宏蛋白 质组学应用于污水生物处理领域 ， 通过分析活性污泥 中蛋白质， 可以提供大量的关于微生物群落结构的信 息， 为污水生物处理的优化控制及工艺技术研究提供 坚实的理论基础。 2. 2 宏蛋白质组学在土壤群落分析中的应用 土壤微生物在土壤物质降解、 循环与转化中发挥 COLLADO 等
表1 Table 1
研究对象 污水生物处理 具有生物除磷效果的活性污泥 具有生物除磷效果的活性污泥 降解双酚 A 和壬基酚的活性污泥 处理含镉污水活性污泥 土壤生态系统 落叶林土壤 2. 4二氯苯氧基乙酸污染的土壤 苯污染的土壤 草地土壤 发酵食品 黄酒麦曲 汾酒大曲 黑曲霉分泌蛋白 酱油曲 注 ： a， 未见报道。
学的研究就如火如荼地开展起来了， 并且发展迅速。 就微生物而言， 主要包括微生物蛋白质组参考图谱的 建立
［4 － 6 ］
图1 Fig． 1
宏蛋白质组学研究策略
Ｒesearch strategies formetaproteomics
、 胁迫条件下蛋白质组学分析、 基因工程菌
Email： cdwu@ scu． edu． cn） 。 第一作者： 博士， 副教授（ 本文通讯作者， 基金项目： 国家自然科学基金项目 （ No． 31301546 ） ； 中央高校 基本科研业务费专项基金 （ No． SCU2015D008 ） ； 酿酒生物技术 12 ） 资助 及应用四川省重点实验室开放基金 （ No． NJ2014收稿日期： 2015 － 09 － 05 ， 改回日期： 2015 － 11 － 12
早期的蛋白质组学研究通常采用二维凝胶电泳 结合质谱技术， 能对复杂蛋白质混合样品进行定性和 定量分析。但是该技术对部分低丰度蛋白、 极端等电 点的蛋白以及一些疏水性蛋白分离效果不佳 。 近年 来， 随着多重色谱分离与质谱联用技术的发展 ， 色谱
2016 年第 42 卷第 5 期（ 总第 341 期）
2. 1
宏蛋白质组学在污水生物处理中的应用 宏蛋白质组学在污水生物处理方面的应用主要
包括功能性蛋白质 / 酶的鉴定、 污染物生物降解机制 的解析及 废 水 生 物 处 理 系 统 关 键 代 谢 途 径 的 重 构
260
2016 Vol. 42 No. 5 （ Total 341 ）
综述与专题评论
综述与专题评论
DOI： 10． 13995 / j． cnki． 11 － 1802 / ts． 201605045
宏蛋白质组学研究进展及应用
吴重德
1， 2* 1 1 ， 黄钧 ， 周荣清
610065 ） 1 （ 四川大学 轻纺与食品学院 ， 皮革化学与工程教育部重点实验室 ， 四川 成都， 2 （ 酿酒生物技术及应用四川省重点实验室 ， 643000 ） 四川 自贡， 摘 要 宏蛋白质组学是近几年出现的一种应用蛋白质组学方法对环境微生态系统进行研究的一种新技术 ， 已
腐殖酸和蛋白质， 然后进一步用酚抽提， 除去腐殖酸 等， 然后进行了蛋白质组学研究， 同时该方法还成功 应用于分析被氯苯污染的地下水样品 ， 但是经过预处 理后的样品蛋白得率较低， 需要经过预培养才能获得 足够分析的蛋白浓度。 这些研究显示了宏蛋白质组 学研究在揭示生态环境功能中具有重要作用。 SINGLETON 等［27］采用宏蛋白质组学的方法比较了镉污 染的土壤中微生物生物量与蛋白质含量的关系 ， 结果 表明， 被镉污染的土壤， 其中的总蛋白的含量显著低 PAGE 分析表明， 于未被污染的土壤样品， 利用 SDS被镉污染的土壤中存在小分子质量的蛋白 （ 如金属 硫蛋白） 表达。研究结果为土壤污染检测、 生态修复 ［17 ］ 等奠定了方法学基础。 SCHULZE 等 研究了不同 环境溶解态有机物 （ DOM，dsolved oganic mtter ） 中蛋 白质的组成， 研究发现， 来自湖泊的蛋白质有 78% 来 自于细菌， 而森林土壤中只有不到 50% 来自于细菌。 分析落叶林土壤微生物发现， 随着土壤取样深度的增 加和土壤有机碳含量的降低， 鉴定的蛋白数量从 75 种降低到 28 种。同时研究不同季节的森林土壤宏蛋 白组发现冬天的土壤中鉴定的蛋白比夏天多 50% 。 研究还首次将宏蛋白组学用于生态元素循环上 ， 希望 找到与生态循环有关的胞外蛋白。 将云杉的树皮进 行环带切除以阻止碳元素运输到根际 ， 结果根际土壤 的蛋白组成发生明 显 变 化， 蛋 白 数 量 减 少 了 50% 。 ， 此外 在森林土壤中还分离到了纤维素酶和漆酶 ， 表 明土壤有机物的分解发生在土壤颗粒表面的生物膜 ［17 ］ 上 。 2. 3 宏蛋白质组学在发酵食品微生物群落结构分析 中的应用 发酵食品体系作为一个独特的微生态系统 ， 其中 的微生物群落结构复杂、 功能多样， 与发酵食品的品 质和风味有直接的关系。 深入剖析发酵食品中的微 生物群落结构为进一步改进食品发酵工艺 、 探究食品 风味形成机理提供了理论基础。 然而由于食品样品 的复杂性， 利用宏蛋白质组学技术解析其群落结构的 研究才刚刚起步。张武斌等 对汾酒大曲宏蛋白质 组的制备与双向电泳的条件的进行了研究 ， 分别对样
获得和鉴定的蛋白数量 638 /46 5029 /2378 588 /78 500 /109 -a / 50 -/26 -/240 -/ ＞ 500 145 /124 -/51 -/16 参考文献 ［ 13］ ［ 14］ ［ 15］ ［ 16］ ［ 17］ ［ 18］ ［ 19］ ［ 11］ ［ 20］ ［ 21］ ［ 22］ ［ 23］
［10 ］
2
宏蛋白质组学研究举例
随着环境微生物基因组数据库的逐渐完 近年来，
善， 宏蛋白质组学在环境生态系统研究中的应用也日 益广泛， 主要集中在土壤生态系统、 废水生物处理、 发 酵食品等环境微生物方面（ 表 1 ） ， 这也为全面认识环 境系统中微生物的功能奠定了基础 。
宏蛋白质组学在环境生态系统中的应用
Applications ofmetaproteomics in environmental ecology
研究方法 2DPAGE ，MALDITOFMS 2DLC， ESIMS / MS 2DPAGE，MALDITOFMS 2DPAGE ，MALDITOFMS / MS NanoLC，MS / MS 2DPAGE ， LCESIMS 2DPAGE ， LCESIMS 2DnanoLCMS / MS 2DPAGE ，MALDITOF / TOFMS 2DPAGE 2DPAGE ，nanoLCMS / MS 2DPAGE ，MALDITOF / TOFMS
。2004 年，
ＲODＲGUEZVALEＲA 提出了宏蛋白质组 （ Metaproteome） 的概念， 即环境中所有生物的蛋白质组的总 和
［3 ］
。本文主要介绍了宏蛋白质学的研究现状及应
用， 并对其研究及发展趋势进行了展望 。
1
宏蛋白质组学及研究方法
自从蛋白质组学的概念提出以后 ， 关于蛋白质组
259
食品与发酵工业
FOOD AND FEＲMENTATION INDUSTＲIES 白组及功能蛋白组的分析奠定基础。 色谱法通常采 用液相分离法， 相对于二维电泳技术， 色谱技术操作 方便， 分离效果更优， 但是分辨率和直观性较差。 蛋白的鉴定常用质谱方法进行， 常用的方法有串 联质谱（ MS / MS） 、 基质辅助激光解析时间飞行质谱 （ MALDITOF / MS ） 、 四 级 杆飞 行 时 间 串 联 质 谱 （ QTOFMS） 等。KAN 等［12］利用宏蛋白质组学的方法对 Chesapeake 海湾海水中的微生物群落进行了研究 ， 分 TOF 和 MS / MS 对相关蛋白进行了鉴 别利用 MALDI， MS 技术鉴定蛋白匹 定 研究结果表明， 采用 MALDI配度较低， 不合适对环境中蛋白质样品进行分析 。此 外， 在蛋白鉴定中， 数据库的选择也很重要， 可以根据 特定的研究对象选择合适的数据库进行搜索 ， 数据库 中蛋白质来源相似度越高， 则蛋白质鉴定的准确性也 越高， 特别是一些未培养的微生物， 由于缺少相关蛋 白的信息， 对宏蛋白质的鉴定构成严重挑战。 因此， 进一步丰富宏蛋白质组数据库是宏蛋白质组学研究 中亟待解决的问题。
等
Hale Waihona Puke ［24 ］PAGE 技术分 。2004 年， WILME 等［25］ 应用 2D-
析了实验室水平的具有生物除磷功能的活性污泥微 生态系统， 并首次提出了宏蛋白质组学的概念 。应用 四级杆飞行时间质谱对相关蛋白进行了鉴定， 研究 发现 活 性 污 泥 中 具 有 除 磷 功 能 的 优 势 微 生 物 为 Ｒhodocyclus 等 未 培 养 微 生 物。 在 随 后 的 研 究 中 WILMES 等［13］继续利用宏蛋白质组学的方法， 阐明 了微生物的更替对增强的生物除磷 （ EBPＲ ） 的重要 作用。在选定的 111 个蛋白点中鉴定了 46 个蛋白， 并对这些蛋白质的功能进行了解析， 研究发现， 这些 、 蛋白质主要与参与糖原的合成与分解 三羧酸循环、 脂肪酸的合成、 磷的转运以及胁迫响应有关， 研究结 果为聚磷菌的代谢活性及污水中物质转换提供了直 接证据， 同 时 为 污 泥 除 磷 机 制 的 研 究 奠 定 了 基 础。 利用宏蛋白质组学的方法研究了活 性污泥中双酚 A 和壬基酚的降解机制。 对苯二酚双 加氧酶（ HQDO） 是双酚 A 和壬基酚生物降解中的一 种特 有 标 记 物 （ 酶 ） ， 可 由 鞘 氨 醇 单 胞 菌 （ Sphingomonas sp. TTNP3 ） 代谢产生。 作者分别构建了纯 化的 HQDO 和纯培养的 TTNP3 的二维电泳参考图 谱， 然后将 TTNP3 按照不同的梯度分别接种到活性 污泥样品中， 建立活性污泥的宏蛋白质图谱。然后将 纯培养的电泳参考图谱和活性污泥的宏蛋白质图谱 进行比对， 在宏蛋白组图谱上找到了对应的 HQDO 的亚基 HqdB 。可以通过检测 HqdB 了解废水处理系 统中双酚 A 和壬基酚的降解情况。 因此， 将宏蛋白 质组学应用于污水生物处理领域 ， 通过分析活性污泥 中蛋白质， 可以提供大量的关于微生物群落结构的信 息， 为污水生物处理的优化控制及工艺技术研究提供 坚实的理论基础。 2. 2 宏蛋白质组学在土壤群落分析中的应用 土壤微生物在土壤物质降解、 循环与转化中发挥 COLLADO 等
表1 Table 1
研究对象 污水生物处理 具有生物除磷效果的活性污泥 具有生物除磷效果的活性污泥 降解双酚 A 和壬基酚的活性污泥 处理含镉污水活性污泥 土壤生态系统 落叶林土壤 2. 4二氯苯氧基乙酸污染的土壤 苯污染的土壤 草地土壤 发酵食品 黄酒麦曲 汾酒大曲 黑曲霉分泌蛋白 酱油曲 注 ： a， 未见报道。
学的研究就如火如荼地开展起来了， 并且发展迅速。 就微生物而言， 主要包括微生物蛋白质组参考图谱的 建立
［4 － 6 ］
图1 Fig． 1
宏蛋白质组学研究策略
Ｒesearch strategies formetaproteomics
、 胁迫条件下蛋白质组学分析、 基因工程菌
Email： cdwu@ scu． edu． cn） 。 第一作者： 博士， 副教授（ 本文通讯作者， 基金项目： 国家自然科学基金项目 （ No． 31301546 ） ； 中央高校 基本科研业务费专项基金 （ No． SCU2015D008 ） ； 酿酒生物技术 12 ） 资助 及应用四川省重点实验室开放基金 （ No． NJ2014收稿日期： 2015 － 09 － 05 ， 改回日期： 2015 － 11 － 12
早期的蛋白质组学研究通常采用二维凝胶电泳 结合质谱技术， 能对复杂蛋白质混合样品进行定性和 定量分析。但是该技术对部分低丰度蛋白、 极端等电 点的蛋白以及一些疏水性蛋白分离效果不佳 。 近年 来， 随着多重色谱分离与质谱联用技术的发展 ， 色谱
2016 年第 42 卷第 5 期（ 总第 341 期）
2. 1
宏蛋白质组学在污水生物处理中的应用 宏蛋白质组学在污水生物处理方面的应用主要
包括功能性蛋白质 / 酶的鉴定、 污染物生物降解机制 的解析及 废 水 生 物 处 理 系 统 关 键 代 谢 途 径 的 重 构
260
2016 Vol. 42 No. 5 （ Total 341 ）
综述与专题评论
综述与专题评论
DOI： 10． 13995 / j． cnki． 11 － 1802 / ts． 201605045
宏蛋白质组学研究进展及应用
吴重德
1， 2* 1 1 ， 黄钧 ， 周荣清
610065 ） 1 （ 四川大学 轻纺与食品学院 ， 皮革化学与工程教育部重点实验室 ， 四川 成都， 2 （ 酿酒生物技术及应用四川省重点实验室 ， 643000 ） 四川 自贡， 摘 要 宏蛋白质组学是近几年出现的一种应用蛋白质组学方法对环境微生态系统进行研究的一种新技术 ， 已