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
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
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(shí)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(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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(gè)項(xiàng)目開始的時(shí)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(gè)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(gè)流程的時(shí)間，增加效率，避免了耗費(fèi)人力易出錯(cuò)的人工過程。全自動(dòng)的工作流程一周可以準(zhǔn)確處理上萬個(gè)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(gè)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。基于系統(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(gè)基因，獲得最大的功能多樣性。200個(gè)基因里面，其中180個(gè)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(dòng)化流程包括平行轉(zhuǎn)化、涂布以及從每個(gè)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(gè)平臺(tái)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(gè)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(gè)反應(yīng)，篩選這些反應(yīng)就需要一個(gè)超高通量的技術(shù)。為此目的，使用了一個(gè)基于質(zhì)譜的高通量技術(shù)——納米結(jié)構(gòu)啟動(dòng)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(gè)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(dòng)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(gè)系統(tǒng)已經(jīng)成為高效、自動(dòng)化開發(fā)和管理宏基因組庫的不可缺少的組成部分。
參考資料
1. A nanostructure-initiator mass spectrometry-based enzyme activity assay. Northen TR, Lee JC, Hoang L, Raymond J, Hwang DR USA
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(tái)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(dòng)。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(gè)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(gè)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)）。
標(biāo)簽：
合成宏基因 數(shù)字信息 篩選克隆
Copyright(C) 1998-2024 生物器材網(wǎng) 電話：021-64166852;13621656896 E-mail：info@bio-equip.com