组学技术在环境中的应用.pdfVIP

北京科技大学

环境工程

微生物学

李冰副教授

组学技术在环境中的应用

代谢组学

宏基因组（Metagenomics）

⚫基于文库分析技术-宏基因组（Metagenome）

宏基因组指环境中全部生物遗传物质的总和，决定生命群体

的生命现象。

它是以生态环境中全部DNA作为研究对象，通过克隆、异源

表达来筛选有用基因及其产物，研究其功能和彼此之间的关

系和相互作用，并揭示其规律的一门科学。

宏基因组在环境领域的应用

✓环境资源调查

极端环境中产生生物活性物质的基因组

污染与工程环境基因组-修复与调控

✓高效降解菌（生物活性基因）的筛选

工程与污染环境基因组一调控与修复

饮用水管网系统中的生物膜(Schmeisser,2003)

矿山酸性废水中生物膜(Tyson,2004)

污水处理厂活性污(Wexler,2005)

发现的新降解基因

功能导向筛选:

降解基因常聚集为小的基因片段（据已知的降解基

因推断，如硝基芳香化合物降解基因片段5-27kb）

DNA提取

DNA裂

解

DNA连接污染物作为单独的

碳源和能源

转化

筛选

新降解基因

序列分析

基因芯片技术

固定在硅、玻璃等材料上的DNA探针阵列

⚫DNA方阵的构建

⚫样品DNA准备

⚫分子杂交

⚫杂交图谱的检测和分析

高通量检测功能微生物特征

应用举例

氧化亚铁硫杆菌（A.f菌）-常用浸矿菌种

⚫创立A.f菌及其活性的基因芯片检测的国家标准

A.f菌活性判定：

✓有320个高氧化活性菌特征基因；

✓有81个亚铁和硫氧化以及抗性等功能基因高

度表达（135个基因的60%以上）。

基因聚类分析图

应用举例

⚫浸矿细菌鉴定及应用

基因芯片（3天）:鉴定了32株A.f菌，发

现其高氧化活性特征基因以及重要功能

基因的差异表达，并据此确定了其活性

高低。

现场浸矿（75天）:不同活性菌株浸矿

效果有明显差别。

基因芯片鉴定结果快速、准确

转录组学（Transcriptomics）

⚫在整体水平上研究细胞中基

因转录的情况及转录调控规

律的学科。简而言之，转录

组学是从RNA水平研究基因

表达的情况。

⚫转录组即一个活细胞所能转

录出来的所有RNA的总和，

是研究细胞表型和功能的一

个重要手段。

蛋白质组学（Proteomics）

⚫蛋白质组（proteome）是澳大利亚学者Williams和Wilkins于

1994年首先提出，表示“一个细胞或一个组织基因组所表达的

全部蛋白质”，是对应于一个基因组的所有蛋白质构成的整体。

⚫阐明生物体全部蛋白质的表达模

式及功能模式，其内容包括蛋白

质的定性鉴定、定量检测、细胞

内定位、相互作用研究等，最终

揭示蛋白质功能网络。

蛋白质组学应用

阐释重要生命活动的分子机制，包括细胞周期、细胞分化

与发育、细胞凋亡、肿瘤发生与发展、环境反应与调节，

物种进化等。

医药靶分子寻找