張維瀟，李 鍵，騫 宇，索化夷,*

(1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.西南大學(xué) 國(guó)家食品科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，重慶 400715；3.西南民族大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610041；4.重慶教育學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，重慶 400067)

宏基因組學(xué)在食品科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

張維瀟1,2，李 鍵3，騫 宇4，索化夷1,2,*

(1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.西南大學(xué) 國(guó)家食品科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，重慶 400715；3.西南民族大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610041；4.重慶教育學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，重慶 400067)

宏基因組學(xué)是一種免培養(yǎng)，能夠直接從環(huán)境中提取全部微生物基因組DNA，通過(guò)構(gòu)建宏基因組文庫(kù)并適當(dāng)篩選，得到目的基因及生物活化物質(zhì)的新型研究方法，它可以最大限度地挖掘微生物資源，現(xiàn)在愈漸成為微生物研究和開(kāi)發(fā)最重要的課題之一。本文綜述了宏基因組學(xué)的研究方法及其近幾年來(lái)在食品科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，著重介紹其在酶制劑開(kāi)發(fā)、食品安全衛(wèi)生、食品發(fā)酵群落、生態(tài)演化，食品營(yíng)養(yǎng)和發(fā)現(xiàn)新型物質(zhì)等領(lǐng)域的應(yīng)用。同時(shí)探討宏基因組學(xué)在食品科學(xué)領(lǐng)域未來(lái)的應(yīng)用前景。

宏基因組學(xué)；食品科學(xué)；研究進(jìn)展

數(shù)10年來(lái)，自然環(huán)境中微生物的鑒定識(shí)別的唯一途徑就是用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行培養(yǎng)[1]，這不但阻礙了人們認(rèn)識(shí)微生物世界的視野，還限制了生物資源的開(kāi)發(fā)和利用。新興的宏基因組學(xué)技術(shù)克服了相關(guān)培養(yǎng)技術(shù)的困難和限制，跳過(guò)傳統(tǒng)培養(yǎng)而直接從環(huán)境樣品中提取總DNA，通過(guò)構(gòu)建宏基因組文庫(kù)、篩選，最后表達(dá)，來(lái)獲得新的功能基因和生物活性物質(zhì)，文庫(kù)基本上囊括了所有的微生物遺傳信息。因此，宏基因組學(xué)的興起，突破了以往限制的尷尬局面，為解決微生物限制資源問(wèn)題提供了解決途徑，增加了獲得更多新生物活性物質(zhì)的機(jī)會(huì)[2]。

1 宏基因組學(xué)概念

1998年，科學(xué)家Handelsman等[3]首次提出宏基因組這一新的概念，可以被用于在復(fù)雜環(huán)境中確定細(xì)菌群落。而宏基因組學(xué)就是利用現(xiàn)代各種基因組的分子技術(shù)，在微生物學(xué)和生物技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)宏基因組進(jìn)行系統(tǒng)全面的研究，其基本策略流程為如圖1所示。

圖1 環(huán)境微生物宏基因組學(xué)研究策略[4]Fig.1 Research strategies for environmental microbial metagenomics[4]

2 宏基因組學(xué)研究策略

2.1 文庫(kù)構(gòu)建

2.1.1 DNA的提取

DNA的提取與其提取質(zhì)量與搜集DNA的大小、克隆效率、文庫(kù)大小和宏基因文庫(kù)的同源性緊密相關(guān)。提取方法可分為原位裂解法(直接提取法)和異位裂解法(間接提取法)。直接提取法就是將樣品懸浮于裂解緩沖液中處理，然后抽提純化。此法特點(diǎn)是易操作，成本低、DNA提取率高，但所提DNA片段較小(10～50kb)，且腐殖酸類(lèi)物質(zhì)也難以徹底去除[5]。間接提取法是先采用某種物理方法將微生物細(xì)胞從原樣分離，繼而采用較溫和的方法抽提DNA，此法可獲大片段DNA(20～500kb)，特點(diǎn)基本與原位提取法相反：所提DNA純度較高，但操作繁瑣，成本高，仍有些微生物在分離過(guò)程中可能會(huì)丟失[6]。所以，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用哪一種實(shí)驗(yàn)方法具體取決于實(shí)驗(yàn)所需要的目的基因大小和研究目的。

2.1.2 載體的選擇

宏基因組文庫(kù)的構(gòu)建選擇適宜的克隆載體，要考慮的方面有：研究目的及所提DNA的質(zhì)量，期望插入目的片段大小、需要的載體拷貝數(shù)、宿主以及篩選方法等[7]。常用于DNA克隆的載體主要包括質(zhì)粒、黏粒、細(xì)菌人工染色體和柯斯質(zhì)粒等。小插入量文庫(kù)載體如質(zhì)粒和噬菌體載體(插入量少于15kb)，用于單個(gè)基因和小型操縱子的篩選，可篩選出酯酶、淀粉酶、磷酸酶、雙加氧酶、蛋白酶、木聚糖酶、氧合酶芳香烴分解酶、氧化多元醇、乙醇氧化還原酶、酰胺酶、β-內(nèi)酰胺酶等。大插入量文庫(kù)載體如細(xì)菌人工染色體(高于40kb，一般100kb以上甚至達(dá)到200kb)、黏粒、柯斯質(zhì)粒(均可達(dá)到40kb)，更常用來(lái)重新恢復(fù)期望基因組或大型DNA片段的復(fù)雜提取途徑。細(xì)菌人工染色體廣泛用于淀粉酶、抗菌物質(zhì)等大片段基因插入，后兩者都可篩選出雌二醇雙氧酶、抗博來(lái)霉素、?；呓z氨酸等。

2.1.3 宿主的選擇

宿主菌株的選擇主要要考慮：轉(zhuǎn)化效率、載體在宿主細(xì)胞穩(wěn)定性，宿主為相關(guān)基因提供必需的轉(zhuǎn)錄表達(dá)體系的能力，對(duì)異源表達(dá)基因產(chǎn)物的相容性，目標(biāo)功能性狀及缺陷型等因素[8]。目前，構(gòu)建宏基因組文庫(kù)最常用的宿主就是操作簡(jiǎn)單、繁殖迅速、培養(yǎng)代謝易于控制的大腸桿菌(Escherichia coli)。E. coli不僅適用于淀粉酶、磷酸酶等常用物質(zhì)，還成功表達(dá)了羥基丁酸、羰基產(chǎn)物和抗菌產(chǎn)物等[9]。其次，變鉛青鏈霉菌(Streptomyces lividans)和惡臭假單胞桿菌(Pseudomonasputida)主要用于抗生素的鑒定。另外，根癌土壤桿菌、黃單胞菌(表達(dá)天然色素)[10]、根瘤菌(酒精乙醛脫氫酶)、伯克氏菌(抗菌性基因)克隆的噬菌體宏基因組DNA正被研究用于由大腸桿菌作宿主的標(biāo)準(zhǔn)菌株，來(lái)抵抗宿主限制性?xún)?nèi)切酶和穿孔素、溶菌酶等致死因子[11]。同時(shí)還進(jìn)行著對(duì)更高效適宜宿主菌株的探索。

2.2 目標(biāo)基因克隆的篩選

根據(jù)研究目的基因組文庫(kù)、宏基因組文庫(kù)的篩選主要有基于功能篩選和基于序列的篩選。

功能篩選法基于生物活性基因，挖掘新的基因編碼酶和藥物，不用再進(jìn)行序列分析，對(duì)全長(zhǎng)基因及功能基因產(chǎn)物有選擇性。用此方法除篩選出抗菌素耐藥性基因[12]、酯酶、脂肪酶[13]、膜蛋白質(zhì)[14]、幾丁質(zhì)酶[15]、4-羥基丁酸的基因編碼酶[16]等常用常見(jiàn)物質(zhì)外，還合成生物素[17]，此方法用于抗生素、重金屬等有毒化合物的降解。此法限制性在于許多基因不僅在宿主菌株(如大腸桿菌)里表達(dá)不明顯，所以更新的宿主和更高的表達(dá)效率還有待開(kāi)發(fā)。

序列篩選法包括完整的基因序列，通過(guò)保守的rRNA基因序列用于探索生物多樣性，或指導(dǎo)評(píng)估鳥(niǎo)槍法導(dǎo)出序列庫(kù)，有可能篩選到某一類(lèi)結(jié)構(gòu)中的新基因片段。現(xiàn)已篩選出聚酮合成酶和縮氨聚合酶[18]，用于復(fù)雜的抗生素。另外還有1,2-苯甲酸鹽雙氧化酶、硫化氧合還原酶、烷烴羥化酶、4-氯苯甲?；o酶A脫鹵素酶、聚酮合成酶、亞硝酸還原酶、一氧化二氮還原酶、甲基鹵化轉(zhuǎn)移酶、氧化還原酶[19]。雖然新的高通量序列技術(shù)使相當(dāng)多的微生物多樣變得可行，但組合文庫(kù)基因的能力很容易受到復(fù)雜的微生物群體的制約。所以在實(shí)驗(yàn)之前必須對(duì)相關(guān)基因序列進(jìn)行一定了解。

另外，化合物結(jié)構(gòu)水平篩選通過(guò)比較基因篩選，其產(chǎn)物不一定具有生物活性；底物誘導(dǎo)基因表達(dá)篩選是利用底物誘導(dǎo)克隆子分解代謝基因，可用于活性酶的篩選等[20]。結(jié)合了穩(wěn)定同位素標(biāo)記法的宏基因組學(xué)能提高發(fā)現(xiàn)酶的基因探測(cè)頻率，顯著促進(jìn)了完整基因鳥(niǎo)槍法序列的群體復(fù)雜性的發(fā)展。此方法中，被標(biāo)記的C13基質(zhì)被放到環(huán)境中。細(xì)菌可以利用有C13合成DNA，與C12區(qū)別，再被梯度離心出來(lái)。污染的水體中發(fā)現(xiàn)包含31kb黏粒運(yùn)載的芳香環(huán)羥基雙氧酶的陽(yáng)性基因[21]。此外，這個(gè)研究證明了完整基因鳥(niǎo)槍法宏基因組學(xué)結(jié)合穩(wěn)定同位素標(biāo)記法，能用于重建微生物種群的基因和生物代謝途徑。

3 宏基因組學(xué)在食品科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

微生物在食品科學(xué)領(lǐng)域占有極其重要的地位，用宏基因組學(xué)的方法來(lái)研究食品中可能帶有的各種微生物，應(yīng)用有生物系統(tǒng)多樣性的描述，新基因生物體的表征，新生化途徑或能量轉(zhuǎn)換的基本代謝的說(shuō)明，地質(zhì)儲(chǔ)集層的耐環(huán)境污染物的識(shí)別，酶的發(fā)現(xiàn)，二次代謝物和其他生物活性小分子的發(fā)現(xiàn)，高分子聚合物的發(fā)現(xiàn)[22]?？梢园l(fā)現(xiàn)有利于新食品技術(shù)開(kāi)發(fā)的新型微生物活性物質(zhì)(現(xiàn)階段主要目標(biāo)為新型生物催化劑、新型微生物種類(lèi)、基因和酶、抗生物質(zhì)、產(chǎn)甲烷生物等的開(kāi)發(fā))，或?qū)κ称焚|(zhì)量有影響的食品新微生物，也深入了對(duì)人體營(yíng)養(yǎng)的探究，對(duì)危害食品安全的各個(gè)途徑的分析，與從各方面降低安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，傳統(tǒng)的細(xì)菌培養(yǎng)耗費(fèi)人力物力大，將宏基因組學(xué)方法運(yùn)用到食品檢測(cè)和食品研究中會(huì)帶來(lái)更多便捷。

3.1 宏基因組學(xué)在酶制劑開(kāi)發(fā)的應(yīng)用

宏基因組學(xué)的方法可以提取更多更新更高效的酶類(lèi)。目前，多糖修飾酶也是食品工業(yè)相當(dāng)重要的一類(lèi)酶，如：α-1淀粉酶、α-2淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和淀粉脫支酶，它們可用于轉(zhuǎn)化一些可利用的原材料[23]。更多的淀粉酶、水合酶、脂肪酶、蛋白酶、腈水解酶、糖苷酶和肌醇六磷酸酶等[24]已經(jīng)被成功商業(yè)化。如漆酶[25]作為食品飲料、食品成分測(cè)定及食品組分功能改進(jìn)中重要的作用物質(zhì)，也通過(guò)宏基因組學(xué)得到了進(jìn)一步的研究和發(fā)展。到目前為止，研究人員已經(jīng)利用以功能和序列為基礎(chǔ)的方法，通過(guò)宏基因組搜尋，還鑒定了核酸酶、葡糖酸還原酶[26]、4-羥基丁酸脫氫酶、L-氨基酸氧化酶[27]、脂肽、脂蛋白、具有表面活性的脂多糖等多個(gè)這樣的新型生物催化劑。歐敏功等[28]通過(guò)實(shí)驗(yàn)篩選了甲基丙二酸半醛脫氫酶(MMSDH)。Suenaga等[29]構(gòu)建的Fosmid文庫(kù)用鄰苯二酚作為基質(zhì)篩選出雌二醇加雙氧酶，產(chǎn)出91個(gè)雌二醇加雙氧酶。楊鍵等[30]成功富集宏基因組DNA中克隆到一種廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)的α淀粉酶。

研究人員已通過(guò)構(gòu)建湖羊瘤胃未培養(yǎng)微生物的宏基因組文庫(kù)，篩選其中新的木聚糖酶基因，建立一個(gè)瘤胃來(lái)源的木聚糖酶庫(kù)，構(gòu)建高效分解木聚糖的工程菌，降低木聚糖酶的生產(chǎn)成本，提高其應(yīng)用適應(yīng)性[31]。從水牛瘤胃未培養(yǎng)微生物宏基因組文庫(kù)[32]中克隆并鑒定出1個(gè)β-葡萄糖苷酶基因，在同步糖化共發(fā)酵工藝生產(chǎn)酒精中有潛在的應(yīng)用價(jià)值。這些新型的酶都在食品科學(xué)領(lǐng)域具有極大的潛力和應(yīng)用價(jià)值。

3.2 宏基因組學(xué)在食品安全衛(wèi)生的應(yīng)用

近年隨著人類(lèi)的發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了巨大的變化，并從各個(gè)方面作用于人們的生活中。如工業(yè)廢水污染河流、土壤，污染物及其代謝產(chǎn)物以不同形式隨作物生長(zhǎng)經(jīng)生物富集作用逐漸滲透入人體內(nèi)，產(chǎn)生不同的食品安全和衛(wèi)生問(wèn)題。最新資料顯示，更多的發(fā)展和應(yīng)用逐步建立在微生物生態(tài)群落這個(gè)重要的環(huán)節(jié)。

張建坤等[33]提到要應(yīng)用宏基因組的新技術(shù)對(duì)酰胺類(lèi)除草劑甲草胺進(jìn)行生物降解。趙宇等[34]根據(jù)有機(jī)磷降解酶基因保守區(qū)設(shè)計(jì)引物，從宏基因組中擴(kuò)增有機(jī)磷降解酶基因片段。宏基因組技術(shù)還被應(yīng)用到對(duì)多環(huán)芳烴的降解[35]，從而降低了農(nóng)作物或者水體動(dòng)物從環(huán)境中吸收有害因素進(jìn)而危害人體的可能性。楚雍烈等[36]建立宏基因文庫(kù)篩選出利用甲醇做碳源的微生物種群，為酒工業(yè)的安全生產(chǎn)提供了一些啟發(fā)。目前還有研究宏基因組學(xué)方法篩選鹵醇脫鹵酶[37]，催化環(huán)境中有害的有機(jī)鹵化物分解。牛澤等[38]探索出高效重金屬污染土壤混合基因組的提取純化方法。顏慶云等[39]提出用宏基因PCR-DGGE指紋來(lái)反映不同湖區(qū)的重金屬污染程度，建立DNA多態(tài)性與環(huán)境因子的關(guān)系。

Martin等[40]構(gòu)建了宏基因文庫(kù)解密微生物群落的生態(tài)和代謝功能，包含加強(qiáng)生物磷酸鹽降解系統(tǒng)。宏基因通過(guò)整體群落基因擴(kuò)增(WCGA)和多重取代擴(kuò)增(MDA)提升了低生物量環(huán)境的宏基因可行性和效力，保證了群落微生物基因的代表性[41]。MDA已成為宏基因組學(xué)研究的重要手段，如在污水處理系統(tǒng)中，作為預(yù)PCR富集步驟減輕聯(lián)合提取腐植酸和胞外多糖的困難[42]。

3.3 宏基因組學(xué)在生態(tài)群落的應(yīng)用

研究人員逐漸深入宏基因組學(xué)的目的之一——在于研究可用特定群落的動(dòng)態(tài)關(guān)系和特殊環(huán)境各種物質(zhì)的相互作用。用宏基因組學(xué)的方法獲取完整微生物群落基因，使在生態(tài)群落、食品發(fā)酵群落構(gòu)建基因文庫(kù)這個(gè)計(jì)劃更易得到有效實(shí)行。

宏基因可以直接從食品生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)群落PCR鎖定16S rRNA基因。PCR結(jié)果池?cái)U(kuò)增隨后由變性梯度凝膠電泳(DGGE)或溫度梯度凝膠電泳(TGGE)分離，隨后可以提取、凈化，并在特定的DNA片段序列產(chǎn)生生態(tài)系統(tǒng)指紋，可應(yīng)用到已知的發(fā)酵食品生態(tài)系統(tǒng)中[43]。

發(fā)酵食品生態(tài)系統(tǒng)主要由乳酸菌、醋酸菌和一些革蘭氏陽(yáng)性菌、革蘭氏陰性菌所構(gòu)成。所謂的“基因探索微列陣”可以用于在12d的韓國(guó)泡菜發(fā)酵中，監(jiān)控乳酸菌的群落動(dòng)態(tài)和生物活性，從而使用10個(gè)相關(guān)時(shí)間的宏基因和宏轉(zhuǎn)錄[44]。直接從發(fā)酵的克非爾(俄國(guó)一種酸牛奶酒)液體和鼓舞樣品中提出26個(gè)包含16S rDNA片段的細(xì)菌宏基因，可識(shí)別不同細(xì)菌種類(lèi)的存在[45]。此外，宏基因技術(shù)分析還在發(fā)酵對(duì)蝦、韓國(guó)泡菜、德國(guó)泡菜3種發(fā)酵食品的細(xì)菌和病毒群體進(jìn)行研究[46]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得309445個(gè)病毒宏基因序列，表現(xiàn)出與細(xì)菌基因序列的強(qiáng)烈相似性。還從發(fā)酵蔬菜食品(韓國(guó)泡菜和德國(guó)泡菜)中獲取了明顯不同于發(fā)酵對(duì)蝦的細(xì)菌群體。近期研究顯示，宏基因序列可以檢測(cè)病毒和宿主群落的組成。有趣地是，很大一部分?jǐn)?shù)量的宏基因序列片段可以整合為幾千個(gè)不同集合模式的重疊群[47]。隨著對(duì)食品乳酸菌外部影響研究的深入，微生物群的宏基因文庫(kù)微列陣日后會(huì)越漸容易[48]。

黃祖新[49]還提出借助宏基因組技術(shù)分離純化大曲酒微生物分泌的功能酶，發(fā)現(xiàn)大曲酒發(fā)酵生產(chǎn)用微生物的新的功能酶類(lèi)。篩選出的脂肪酶通過(guò)減少不飽和脂肪酸來(lái)達(dá)到加強(qiáng)茶深度發(fā)酵的目的[50]。而由超速454-焦磷酸測(cè)序宏基因組法成功分析了發(fā)酵罐中沼氣微生物群落評(píng)判其結(jié)構(gòu)、基因容量、代謝能力和特定沼氣生物作用[51]。

具有潛在工業(yè)應(yīng)用性的多功能糖基水解酶從奶牛瘤胃中篩選出來(lái)[52]。琥珀酸死桿菌、瘤胃球白菌等被揭示在沼氣反應(yīng)中表現(xiàn)出強(qiáng)大的生物降解木質(zhì)纖維素的作用[53]。近期，宏基因組學(xué)被應(yīng)用在消化生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)掘在瘤胃細(xì)菌的新型水解酶基因和克隆到小鼠大腸的β-葡聚糖酶[54]。一項(xiàng)研究[55]首次揭示人類(lèi)G1段微生物組在糞便樣本中1299個(gè)基因型。高通量宏基因技術(shù)產(chǎn)出大量的環(huán)境基因序列，因此，復(fù)雜環(huán)境微生物群落的系統(tǒng)組成陸續(xù)得到解密[56]。

3.4 宏基因組學(xué)在食品營(yíng)養(yǎng)的應(yīng)用

近來(lái)還提出用宏基因組學(xué)的方法深入研究人體腸道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)即在黏膜建立食物-微生物群體系的運(yùn)作[57]。人類(lèi)的腸道微生物群系是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，它們包含了1013～1014數(shù)量的微生物，而這些微生物所包含的基因至少是人類(lèi)基因的100倍。Gill等[58]將來(lái)自?xún)蓚€(gè)健康成人的糞便的DNA擴(kuò)增，率先發(fā)現(xiàn)腸道微生物極大豐富著各種聚糖、氨基酸和一些外來(lái)物質(zhì)的代謝，還有甲烷和2-甲基-D-赤蘚糖醇4-磷酸途徑介導(dǎo)的維生素和異戊二烯合成等。Qin Junjie等[59]發(fā)現(xiàn)最小的腸道宏基因都含有相當(dāng)多的功能基因片段，它們雖然很罕見(jiàn)，但是可能對(duì)腸道起著至關(guān)重要的作用。在研究腸道微生物對(duì)膳食纖維的分解代謝起的作用時(shí)，Tasse等[60]用多步驟功能性手段引導(dǎo)人體腸道宏基因的特定區(qū)域的進(jìn)一步焦磷酸測(cè)序來(lái)編碼消化活性碳水化合物(包括膳食纖維素)的酶，首次用高通量功能測(cè)序篩選出26個(gè)高效降解植物多糖原料的與非富余宏基因相關(guān)的克隆子，覆蓋了35個(gè)不同源族的73種活性碳水化合物酶類(lèi)。這相當(dāng)于人體腸道宏基因隨機(jī)測(cè)序的5倍目的基因富集量。此發(fā)現(xiàn)為人類(lèi)腸道功能營(yíng)養(yǎng)鏈提供了新的研究途徑。

而人群膳食與人體腸道微生物菌群結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。Preidis等[61]將一組由10個(gè)人體腸道菌群基因序列構(gòu)成的群落引入大鼠體內(nèi)，觀測(cè)到其反應(yīng)表達(dá)的變化。一組對(duì)成人和斷奶兒童的結(jié)腸微生物宏基因分析顯示，膳食因素和人體各種狀態(tài)，包括先天免疫和適應(yīng)性免疫、對(duì)感染的相對(duì)敏感性、免疫耐受、營(yíng)養(yǎng)素的生物利用度、腸屏障功能可能會(huì)改變的腸道微生物群落的組成和功能。針對(duì)此狀況，可用抗生素、益生菌的合理調(diào)配來(lái)改善腸道不良狀況。腸道中的共生細(xì)菌代謝可作為能量來(lái)源的食品組分，而這些組分也能影響腸道細(xì)菌群落的組成[62]。如十字花科食物中的硫化合物[63]、多酚等植物化學(xué)物質(zhì)和多不飽和脂肪酸，它們的生物利用度依賴(lài)于腸道菌群的利用，但又會(huì)對(duì)腸道聚群產(chǎn)生一定影響。

3.5 宏基因組學(xué)在發(fā)現(xiàn)新型物質(zhì)的應(yīng)用

近期的報(bào)道稱(chēng)，宏基因組學(xué)在對(duì)新型物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)上起著至關(guān)重要的作用。Coetzee等[64]用此方法發(fā)現(xiàn)對(duì)葡萄藤有害的新型病毒上。宏基因組學(xué)還聚焦于與2,5-二酮酸-D-葡萄糖酸相關(guān)的以葡萄糖為基質(zhì)的新型VC的生產(chǎn)研究[65]。趙越等[66]報(bào)道正在研究通過(guò)宏基因組學(xué)方法篩選具有高產(chǎn)核黃素能力的微生物。

4 結(jié) 語(yǔ)

宏基因組學(xué)克服了傳統(tǒng)培養(yǎng)方法限制微生物資源開(kāi)發(fā)利用的局限性，更大程度揭示了自然群體的生物多樣性。到目前為止，宏基因組克隆技術(shù)已為研究者們篩選獲得大量新型基因和活性物質(zhì)，從中還可以提取更多可以進(jìn)行高產(chǎn)量的食品工業(yè)原料所需的生物活性物質(zhì)。如上所總結(jié)的，已經(jīng)有一些在食品行業(yè)被利用起來(lái)，這些成果對(duì)于食品微生物研究、食品快速檢測(cè)及食品安全系統(tǒng)分析等有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的利用價(jià)值，還有很多將來(lái)會(huì)被應(yīng)用于食品科學(xué)之中。環(huán)境中存在的各類(lèi)微生物通過(guò)不同的方式進(jìn)入到食品之中，相信通過(guò)宏基因組學(xué)的方法，能確定對(duì)人類(lèi)有影響而還未確定的致病因子。但宏基因組學(xué)技術(shù)作為一項(xiàng)年輕的生物技術(shù)手段還有許多亟待解決的問(wèn)題，如文庫(kù)的篩選方法有待進(jìn)一步朝更敏感、更高通量方向完善；更新、更合適的載體還有待繼續(xù)搜尋和選擇；以質(zhì)粒為載體的文庫(kù)受限于所能包容的插入尺寸，所以捕獲染色體上項(xiàng)目多基因是很不容易的。文庫(kù)表達(dá)的宿主會(huì)影響篩選結(jié)果。由于異源基因不能被宿主的轉(zhuǎn)錄機(jī)制識(shí)別，篩選時(shí)就不能表達(dá)進(jìn)而不能富集。但可以試設(shè)想一個(gè)具有多重兼容的轉(zhuǎn)錄機(jī)制的平臺(tái)微生物[67]來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。宏基因組學(xué)技術(shù)將繼續(xù)在食品科學(xué)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)一片嶄新、光明的天地。

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Research Progress and Applications of Metagenomics in Food Science

ZHANG Wei-xiao1,2，LI Jian3，QIAN Yu4，SUO Hua-yi1,2,*
(1. College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China；2. National Food Science and Engineering Experimental Teaching Center, Southwest University, Chongqing 400715, China；3. College of Life Science and Technology, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, China；4. College of Biology and Chemical Engineering, Chongqing College of Education, Chongqing 400067, China)

Metagenomics is an advanced methodology by means of extracting all microbialgenomic DNAs in certain environmental habitat, constructing and screening metagenomic libraries to seek novel functional genes and biologically active compounds without cultivating. It can mine microbial resources to the greatest extent. Therefore, it is increasingly becoming one of the most important subjects in microbiological research and development. This paper reviews the recent research progress of metagenomics and its applications in the area of food science, especially in enzyme preparation development, food safety and hygiene, food fermentation, ecological evolution, food nutrition, and the discovery of new compounds, and explores its future prospects in the area of food science.

metagenomics；food science；research progress

TS201.3

A

1002-6630(2012)05-0309-06

2011-09-20

國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(201203009)；西南大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(XDJK2009C041)

張維瀟(1989—)，女，本科生，研究方向?yàn)槭称焚|(zhì)量與安全。E-mail：zwxlaugh@163.com

索化夷(1978—)，男，講師，博士研究生，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)。E-mail：birget@swu.edu.cn