當(dāng)前位置 > 首頁 > 技術(shù)文章 > 合成宏基因組學(xué)：將數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為生物學(xué)功能-Molecular Devices Qpix 400

選型 | 市場 | 應(yīng)用 | 使用 | 法規(guī) | 技術(shù) | 其他

合成宏基因組學(xué)：將數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為生物學(xué)功能-Molecular Devices Qpix 400

瀏覽次數(shù)：2798　發(fā)布日期：2014-4-4　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

合成宏基因組學(xué)：將數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為生物學(xué)功能

優(yōu)勢

· 同時檢測克隆和定量熒光標(biāo)記---使用表現(xiàn)型篩選克隆

· 從加樣、涂布到挑取完全自動化工作流程

· 從樣品涂布到挑取、復(fù)制和重排記錄并追蹤樣品數(shù)據(jù)

· 每天準(zhǔn)確挑取超過30000個篩選到的克隆，效率>98%

美國能源部聯(lián)合基因組研究所（DoE JGI）的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了建立在高通量篩選技術(shù)基礎(chǔ)上的合成宏基因組學(xué)技術(shù)。這種技術(shù)可以將最新一代測序獲得的大量數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為有形的、可觀察到的生物體。

簡介

新一代測序技術(shù) 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百萬計(jì)的新型基因，包括所有的已知通路和功能活性。這些新型基因里面包括了大量新型生物酶的基因，在能源和環(huán)境技術(shù)方面具有潛在用途，包括基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用生物學(xué)技術(shù)等。最大的一個挑戰(zhàn)就是如何將大量的數(shù)字信息（序列，生物信息學(xué)，化學(xué)信息學(xué)）轉(zhuǎn)化為可以觀察、具有功能活性的生物（酶活性，細(xì)胞死亡，蛋白表達(dá)等）。

DoE JGI已經(jīng)開發(fā)出了合成宏基因組學(xué)技術(shù)來克服這一挑戰(zhàn)。基因和通路以一種不依賴模板的方式被合成，快速經(jīng)濟(jì)有效地將數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為生物化學(xué)分子。

對于商業(yè)化生產(chǎn)纖維質(zhì)生物燃料來說，一個主要的瓶頸就是缺少具有穩(wěn)定高活性的酶，用于將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為葡萄糖。離子液體可以被用于前處理溶解纖維素，增加可發(fā)酵糖的含量如葡萄糖。為了尋找合適的工業(yè)相關(guān)的酶，要使用合成宏基因組學(xué)方法。能源部聯(lián)合生物能源研究所（JBEI）設(shè)計(jì)了特殊工業(yè)用途的酶，這些酶要具備下面的條件：（i）70度的時候仍具有功能性酶活；（ii）pH4.5條件下仍然穩(wěn)定；（iii）對離子溶液具有耐受性。這個項(xiàng)目開始的時候，沒有酶能夠在這些條件下具有足夠的活性。

Figure 1. 合成宏基因組學(xué)流程：DoE JGI使用的一個宏基因組學(xué)研究流程

宏基因組學(xué)研究的標(biāo)準(zhǔn)流程圖：在克隆和挑取階段使用QPix460系統(tǒng)可以顯著縮短整個流程的時間，增加效率，避免了耗費(fèi)人力易出錯的人工過程。全自動的工作流程一周可以準(zhǔn)確處理上萬個克隆，而且從涂布到挑取，具有完整的數(shù)據(jù)記錄追蹤，大大節(jié)省成本。

第一個研究目標(biāo)就是已知的可以催化纖維二糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖的GH1s酶家族�；谙到y(tǒng)發(fā)育的方法使我們能夠從已有的上千序列里面選取200個基因，獲得最大的功能多樣性。200個基因里面，其中180個基因被合成，然后使用QPix460系統(tǒng)克隆到表達(dá)載體（Figure 2）。

Figure 2. 宏基因組學(xué)系統(tǒng)發(fā)育樹分析，選擇有代表性的基因家族

DoE JGI開發(fā)的高通量自動化流程包括平行轉(zhuǎn)化、涂布以及從每個基因變異里面挑取多樣的克隆，用于測序鑒定。QPix460系統(tǒng)使這些成為可能，在一個平臺上面可以提供高通量的接種、涂布以及克隆挑取。一旦序列驗(yàn)證正確，每個基因的最優(yōu)克隆被轉(zhuǎn)化到蛋白表達(dá)菌株。

然后分析GH1蛋白生產(chǎn)菌株的蛋白表達(dá)可溶性。65%克隆表達(dá)的蛋白具有可溶性，然后在上面描述的條件下進(jìn)一步分析。例如，作為早期質(zhì)量控制，在不同溫度條件下分析一系列酶的活性，結(jié)果顯示，其中一些候選酶具有熱穩(wěn)定性（Figure 3）。

Figure 3. GH1酶家族活性鑒定，發(fā)現(xiàn)具有熱穩(wěn)定性的酶

為了評估這些候選酶在不同條件下的特性，需要約15000個反應(yīng)，篩選這些反應(yīng)就需要一個超高通量的技術(shù)。為此目的，使用了一個基于質(zhì)譜的高通量技術(shù)——納米結(jié)構(gòu)啟動質(zhì)譜（NIMS）。酶-底物反應(yīng)物被點(diǎn)樣到固相載體上，并通過激光電離。通過檢測底物和產(chǎn)物的比值確定酶的活性（Figure 4），選取活性在前20的酶進(jìn)行深度研究，其中有5個在上面描述的工業(yè)相關(guān)條件下具有活性。這表明使用合成宏基因組學(xué)可以從公共序列數(shù)據(jù)庫預(yù)測的蛋白開始，快速找到具有特殊活性的酶。

結(jié)論

這些工作證明DoE JGI開發(fā)和使用的技術(shù)可以成功地將數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為生物學(xué)相關(guān)、具有新功能的酶。來自于GH1酶家族的180種蛋白，經(jīng)過QPix460系統(tǒng)的高通量、自動化篩選，最后成功找到符合要求的、具有新特性的酶蛋白。這個系統(tǒng)已經(jīng)成為高效、自動化開發(fā)和管理宏基因組庫的不可缺少的組成部分。

此外，使用這個高效的自動化系統(tǒng)，成功篩選到5個具有新特性的酶。這些酶在70°C、pH 4.5、高濃度離子溶液中和底物仍然具有較好活性，能夠滿足工業(yè)化的要求。JBEI目前正在研究這些酶的潛在工業(yè)化用途，如能否有效工業(yè)化放大，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為葡萄糖。

參考資料

1. A nanostructure-initiator mass spectrometry-based enzyme activity assay. Northen TR, Lee JC, Hoang L, Raymond J, Hwang DR, Yannone SM, Wong CH, Siuzdak G. Proc Natl Acad Sci USA. 2008 Mar 11;105(10):3678-83. doi: 10.1073/pnas.0712332105. Epub 2008 Mar 4. PMID:18319341 [PubMed - indexed for MEDLINE]

目前使用QPix從事相關(guān)應(yīng)用的國內(nèi)外用戶：

1、US Department of Energy’s Joint Genome Institute (DoE JGI) QPix460

2、美國可再生產(chǎn)品制造商Amyris 購買了3臺QPix （開發(fā)使用藻類生產(chǎn)生物燃料和將甘蔗轉(zhuǎn)化為乙醇）

3、武漢生物技術(shù)研究院合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室 QPix460

美國能源部聯(lián)合基因組研究所（DOE JGI）位于加州Walnut Creek，成立于1997年，以將能源部在LBNL、勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）和洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室（LANL）基因組中心率先進(jìn)行DNA測序、信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展中的專長和資源整合在一起。1999年，為加快完成能源部對人類基因組計(jì)劃的承諾，負(fù)責(zé)管理DOE JGI的美國加州大學(xué)，將在加州Walnut Creek輕工業(yè)園區(qū)實(shí)驗(yàn)室和辦公室租賃出去，以鞏固各項(xiàng)活動。這樣做取得的重大規(guī)模經(jīng)濟(jì)使聯(lián)合基因研究所成為第一個在自然雜志上發(fā)表的目標(biāo)染色體5、16和19序列分析。繼這一成就之后，DOE JGI通過測序20 多個微生物物種幾種典型的生物體和將這一信息無償?shù)刎暙I(xiàn)給公共數(shù)據(jù)庫繼續(xù)推進(jìn)基礎(chǔ)科學(xué)。2004年，DOE JGI將自己確定為全國用戶設(shè)施，而今天有超過2000名世界各地的用戶。DOE JGI測序的絕大多數(shù)是在生物群落測序項(xiàng)目（CSP）贊助下進(jìn)行的，測量生物圈以表征與能源部生物能源、全球碳循環(huán)和生物地球化學(xué)科學(xué)任務(wù)范圍有關(guān)的生物體。DOE JGI的最大客戶是美國能源部生物能源研究中心（BRCs），這些中心成立于2007年，旨在加速開發(fā)下一代纖維素生物燃料的基礎(chǔ)研究。該研究所繼續(xù)得到來自美國能源部科學(xué)局生物和環(huán)境研究處的大部分資金支持。

目前，DOE JGI已發(fā)展到占地八萬平方英尺，聘請由國際公認(rèn)的遺傳學(xué)家、醫(yī)學(xué)博士和哲學(xué)博士Eddy Rubin領(lǐng)導(dǎo)的250名員工。DOE JGI的伙伴實(shí)驗(yàn)室包括：LBNL、勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室、洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）以及哈森阿爾法生物技術(shù)研究院（以前與斯坦福人類基因組中心有關(guān)）。

來源：美谷分子儀器（上海）有限公司
聯(lián)系電話：021-24197251
E-mail：info.china@moldev.com

【點(diǎn)擊可查看美谷分子儀器（上海）有限公司相關(guān)產(chǎn)品】

標(biāo)簽：合成宏基因數(shù)字信息篩選克隆

分享到：QQ空間新浪微博騰訊微博微信

【所有文章】【本類新聞】【相關(guān)產(chǎn)品】【關(guān)閉窗口】

本類文章

本類新聞