張俊趙圣國王加啟金迪卜登攀，2，3

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所　動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100193；2. CAAS-ICRAF農(nóng)用林業(yè)與可持續(xù)發(fā)展畜牧業(yè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京　100193；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品安全與營養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心，哈爾濱　150030）

利用元基因組學(xué)方法從瘤胃中篩選的功能酶及酶基因研究進(jìn)展

張俊1趙圣國1王加啟1金迪1卜登攀1，2，3

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100193；2. CAAS-ICRAF農(nóng)用林業(yè)與可持續(xù)發(fā)展畜牧業(yè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京100193；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品安全與營養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心，哈爾濱150030）

瘤胃微生物群落是一個(gè)復(fù)雜、龐大的生物體系，其生物多樣性極為豐富，蘊(yùn)藏著巨大的基因和生態(tài)資源，是酶制劑開發(fā)的重要寶庫。元基因組學(xué)方法避免了微生物培養(yǎng)條件的限制，通過直接對未培養(yǎng)微生物進(jìn)行DNA提取、基因篩選與表達(dá)，從而不斷擴(kuò)大自然界中的基因數(shù)據(jù)庫，為新型生物催化劑的開發(fā)及篩選提供了可能。對元基因組學(xué)技術(shù)及利用此技術(shù)從瘤胃中篩選的功能酶類及酶基因的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

元基因組學(xué)；瘤胃；篩選；酶類

酶制劑作為一種天然“綠色”的添加劑，受到畜牧、食品、造紙和紡織等行業(yè)的廣泛關(guān)注；特別是飼用酶制劑的使用，不僅能夠改善動(dòng)物健康，為人類提供安全的動(dòng)物產(chǎn)品，還可以降低畜禽排泄物中的有機(jī)物含量，大幅減少資源的浪費(fèi)。隨著集約化養(yǎng)殖模式的形成，飼料用酶的前景日益廣闊，但是由于傳統(tǒng)的菌株篩選模式難以滿足工業(yè)化對酶類高表達(dá)量、低生產(chǎn)成本和廣泛使用范圍的要求，其應(yīng)用水平還很低。因此，目前飼料用酶的重要研發(fā)趨勢是：酶基因資源的廣泛挖掘及高效表達(dá)、生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)［1］。反芻動(dòng)物的瘤胃中棲息著復(fù)雜多樣的微生物，蘊(yùn)藏著巨大的基因和生態(tài)資源，是酶制劑資源開發(fā)的巨大寶庫。但是，目前瘤胃中89%的微生物仍未被分離純培養(yǎng)［2］，從而導(dǎo)致了瘤胃中多種微生物基因資源難以被挖掘利用。近年來發(fā)展起來的元基因組學(xué)技術(shù)，通過直接提取特定環(huán)境中全部微生物的總DNA，并克隆到適宜的宿主細(xì)胞中，對重組克隆子的功能和序列進(jìn)行分析，或者利用新一代測序技術(shù)直接對混合微生物的總基因組DNA進(jìn)行高通量測序分析，從而挖掘和利用那些未培養(yǎng)微生物的基因資源或新的生物活性物質(zhì)。本文主要對利用元基因組學(xué)方法從瘤胃中篩選的功能酶及酶基因的研究進(jìn)展簡要綜述。

1 元基因組學(xué)簡介

為了對環(huán)境中所有的微生物基因進(jìn)行研究，1998年，Handelsman等［3］首次提出了元基因組（Metagenomics）的概念，即一個(gè)自然環(huán)境中全部（微）生物的基因組。元基因組學(xué)是以環(huán)境樣品中的微生物群體基因組為研究對象，以功能基因篩選和序列分析為研究手段，以微生物多樣性、種群結(jié)構(gòu)、進(jìn)化關(guān)系、功能分析、相互協(xié)作關(guān)系及與環(huán)境之間的關(guān)系為研究目的的微生物研究方法［4］。伴隨著PCR、基因工程和高通量測序等技術(shù)的日趨完善，元基因組學(xué)技術(shù)為從完整的群落水平上認(rèn)識(shí)微生物的活動(dòng)提供了條件，在環(huán)境功能基因資源的篩選上扮演重要角色。

1.1 基于元基因組文庫的篩選

元基因組學(xué)研究程序一般包括從環(huán)境（瘤胃）中直接提取DNA/RNA，將DNA/RNA克隆到合適的載體上，如質(zhì)粒載體、λ噬菌體載體、Fosmid載體、Cosmid載體和BAC載體，再將載體轉(zhuǎn)化到可培養(yǎng)的宿主細(xì)胞中建立元基因組文庫，對文庫進(jìn)行篩選，結(jié)合生物信息工具，最終得到生物活性物質(zhì)（酶）或微生物遺傳信息［4，5］。

目前，對元基因組文庫的篩選有4種方法：功能驅(qū)動(dòng)篩選（Function-driven screening）、序列驅(qū)動(dòng)篩選（Sequence-driven screening）、底物誘導(dǎo)基因表達(dá)篩選（Substrate-induced gene expression screening，SIGEX）和混合物構(gòu)型篩選（Compound configuration screening）［6］。功能篩選和序列篩選作為現(xiàn)今最主要的篩選方法，已經(jīng)從元基因組文庫中篩選獲得纖維素酶、半纖維素酶、淀粉酶和蛋白酶等近百種功能酶類。功能驅(qū)動(dòng)篩選是基于重組陽性克隆表達(dá)出的既定活性，再通過生化鑒定和序列分析對這些陽性克隆進(jìn)行確認(rèn)，從而獲得其相關(guān)的基因信息；而序列驅(qū)動(dòng)篩選則依據(jù)已知功能基因的序列設(shè)計(jì)探針或PCR引物，通過核酸雜交或PCR擴(kuò)增來篩選具有目標(biāo)序列的克隆子。

1.2 基于高通量測序技術(shù)的篩選

對反芻動(dòng)物胃腸道微生物的研究，最早是通過16S rDNA分類的方法來檢測物種的豐度和多樣性，但是16S rDNA方法只能考察基因組中一個(gè)很小片段的多態(tài)性，無法了解該特定環(huán)境下基因的整體組成和變異情況［7］。高通量測序技術(shù)可以對數(shù)百萬個(gè)DNA分子同時(shí)進(jìn)行測序，這使得對一個(gè)物種的基因組或轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行細(xì)致全貌的分析成為可能［8］。高通量測序技術(shù)的流程是首先提取環(huán)境中的微生物總DNA，然后利用超聲波等技術(shù)將其基因組打碎，在DNA鏈的兩端加上標(biāo)記物，最后上機(jī)檢測序列信息。目前，較常用的高通量測序技術(shù)主要是454 Life Science、ABI和Illumina公司的第二代測序技術(shù)。高通量測序技術(shù)不但有利于對環(huán)境微生物基因資源的深入挖掘，還能夠滿足人們對于大數(shù)據(jù)量的需求。

2 利用元基因組學(xué)方法從瘤胃中篩選得到的功能酶

元基因組學(xué)方法能夠有效地提高功能酶的篩選效率，為研究和利用未培養(yǎng)微生物提供了新的途徑，為微生物資源的研究和開發(fā)提供了全新的策略。近年來研究者們已利用元基因組文庫技術(shù)從瘤胃樣品中篩選到了200多個(gè)具有纖維素酶、脂肪酶/酯酶、淀粉酶、木聚糖酶及β-葡萄糖苷酶等催化活性的陽性克隆（基因）（表1），這些催化劑在畜牧、食品、造紙和紡織等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.1 纖維素酶

纖維素是細(xì)胞壁的主要成分，其降解情況與纖維素晶狀程度和木質(zhì)素的連接有著直接關(guān)系，但是反芻動(dòng)物瘤胃有著超乎尋常的粗纖維降解能力，纖維素降解過程所需要的酶類均可由瘤胃微生物產(chǎn)生。其中瘤胃細(xì)菌在纖維分解過程中發(fā)揮著重要作用，對于瘤胃微生物纖維分解酶和新型產(chǎn)物的開發(fā)一直是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，近年來從瘤胃元基因組文庫中共獲得了80個(gè)纖維素酶活性克隆。

表1 利用元基因組文庫方法從瘤胃篩選的酶

趙廣存等［9］利用活性篩選從牛瘤胃Cosmid文庫中獲得9個(gè)β-葡萄糖苷酶陽性克隆，其中一個(gè)基因的遺傳進(jìn)化分析表明其可能來自于牛瘤胃噬纖維菌屬。Wang等［10］利用活性篩選從牛瘤胃元基因組文庫中獲得3個(gè)纖維素酶克隆，其中一個(gè)內(nèi)切葡聚糖酶表達(dá)后在60℃具有較好的熱穩(wěn)定性。Duan等［11］通過活性篩選從水牛瘤胃Cosmid文庫中獲得61個(gè)纖維素酶活性克隆，其中7個(gè)纖維素酶在pH5.5或更低的酸性環(huán)境中具有較高活性，并且一個(gè)新的纖維素酶基因C67-1表達(dá)后在pH3.5-10.5范圍內(nèi)都有很好的穩(wěn)定性。Findley等［12］利用活性篩選從牛瘤胃原蟲cDNA文庫中鑒別出3個(gè)纖維素酶陽性克隆。Pozo等［13］利用活性篩選從17 000頭奶牛瘤胃微生物Fosmid文庫克隆中獲得了4個(gè)高活力的β-葡糖苷酶，該酶在45-55℃和pH4.0-7.0有較高活性，并且對p-硝基苯基-β-D-呋喃葡萄糖苷、p-硝基苯基-β-纖維二糖和纖維低聚糖有較高的親和活性。

2.2 半纖維素酶

木聚糖作為最重要的植物半纖維素，已經(jīng)成為了研究的關(guān)注點(diǎn)，近年來共篩選得到48個(gè)半纖維素酶陽性克隆（基因）。瘤胃內(nèi)降解木聚糖的酶包括水解主鏈的內(nèi)切-β-1，4-木聚糖酶、β-1，4-木糖苷酶，水解側(cè)鏈的阿拉伯呋喃糖苷酶、葡萄糖苷酶，及水解木聚糖與木質(zhì)素連接酯鍵的阿魏酸酶和乙酰木聚糖酯酶等［14］。

Wong等［15］利用活性篩選從奶牛瘤胃λ-ZAP-II文庫中獲得一個(gè)外切-α-1，5-L-阿拉伯聚糖酶，該酶在pH6.0-7.0和50℃有最適活性。馮國棟等［16］利用活性篩選從湖羊瘤胃Fosmid文庫中得到2個(gè)具有內(nèi)切-1，4-β-木聚糖酶活性的克隆，其中一個(gè)克隆基因編碼的產(chǎn)物與產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌（Fibrobacter succinogenes）的內(nèi)切-1，4-β-木聚糖酶同源性最高，氨基酸序列相似性為67%，遺傳進(jìn)化分析表明其可能來自于湖羊瘤胃絲狀桿菌屬。王佳堃等［17］構(gòu)建了湖羊瘤胃Fosmid文庫，并通過活性篩選從12 704個(gè)克隆中獲得18個(gè)木聚糖酶陽性克隆。Zhao等［18］利用活性篩選從荷斯坦奶牛瘤胃BAC文庫中獲得了一個(gè)內(nèi)切-β-1，4木聚糖酶克隆，該酶在中性pH和廣泛的溫度范圍內(nèi)都具有較高的特異活性。王敏等［19］通過序列篩選從牦牛瘤胃BAC文庫中獲得14個(gè)木聚糖酶基因，將其中一對木聚糖酶（Xyn32）和木糖苷酶（Xyl33）基因表達(dá)后發(fā)現(xiàn)它們對木聚糖降解具有協(xié)同作用。Wang等［20］通過序列篩選從湖羊瘤胃Fosmid文庫中得到了一個(gè)木聚糖酶基因，經(jīng)過序列比對發(fā)現(xiàn)這個(gè)基因與琥珀酸絲狀桿菌S85（Fibrobacter succinogenes）的內(nèi)切-1，4-β-木聚糖酶相似度達(dá)61%。Gong等［21］利用活性篩選從奶牛瘤胃BAC文庫中獲得一個(gè)內(nèi)切-1，4-β-木聚糖酶，該酶對木聚糖底物特異性較高，對纖維素沒有催化活性，并且在pH4.0-12.0范圍內(nèi)都保留85%的催化活性。

2.3 淀粉酶

淀粉作為一種重要的碳源物質(zhì)，進(jìn)入瘤胃后被微生物快速吸收利用，對于直鏈淀粉和支鏈淀粉的徹底降解除了需要水解α-1，4-糖苷鍵的酶外，還需要一系列其他酶的參與，如糊精酶、麥芽糖酶和脫支酶等，近年來共篩選得到17個(gè)淀粉酶活性克隆。Ferrer等［22］利用活性篩選從奶牛瘤胃λ-ZAP文庫中獲得一個(gè)屬于α-淀粉酶家族的環(huán)狀糊精酶（RA.04）克隆，該酶對直鏈和支鏈淀粉都有很高活性，其最適溫度為70℃，并且在pH5.5-9.0仍有較好活性。朱雅新等［23］通過活性篩選從荷斯坦奶牛瘤胃BAC文庫中獲得16個(gè)淀粉酶活性克隆。

2.4 蛋白酶

日糧的瘤胃降解蛋白是合成瘤胃微生物蛋白質(zhì)的主要氮源，蛋白質(zhì)降解過程包括兩個(gè)階段：蛋白質(zhì)水解為肽和氨基酸；氨基酸脫氨基作用形成氨。該過程中需要大量的蛋白酶、肽酶和脫氨酶的參與。本實(shí)驗(yàn)室通過一系列的工作，從瘤胃Fosmid文庫中共獲得24個(gè)蛋白酶陽性克隆。趙靜雯等［24］通過活性篩選從奶牛瘤胃Fosmid文庫中獲得14個(gè)蛋白酶活性克隆，其中55%的基因序列可以與已知編碼基因相匹配。趙靜雯等［25］采用活性篩選從奶牛瘤胃Fosmid文庫中獲得10個(gè)二肽基肽酶Ⅳ陽性克隆，經(jīng)比對后發(fā)現(xiàn)其序列與Cyclobacterium marinum（43%）、Capnocytophaga sp.（63%）、Prevotella ruminicola 23（66%）和Solitalea canadensis（50%）的 DPP-Ⅳ相似度較高。

2.5 酯酶

反芻動(dòng)物日糧中的脂類主要包括甘油三酯、半乳糖脂、硫酸酯和磷脂，這些脂類的降解大部分由瘤胃微生物完成。近年來國內(nèi)外共從瘤胃元基因組文庫中篩選獲得34個(gè)酯酶陽性克隆。Ferrer等［22，26］利用活性篩選從奶牛瘤胃λ-ZAP文庫中獲得12個(gè)酯酶陽性克隆，對其中一個(gè)酶進(jìn)行位點(diǎn)突變后發(fā)現(xiàn)其具有Ser14、His231和Glu152催化三聯(lián)體。趙圣國等［27］利用活性篩選從奶牛瘤胃BAC文庫中獲得18個(gè)脂肪酶陽性克隆，其插入片段大約為60 kb。Liu等［28］通過活性篩選從奶牛瘤胃BAC文庫中獲得兩個(gè)脂酶基因RlipE1和RlipE2，其中RlipE2與來自Thermosinus carboxydivorans Nor1的羧酸脂酶有較高的相似性（90%），這兩個(gè)脂酶對C12、C16和C18這些長鏈脂肪酸有較好的特異活性。Bayer等［29］采用活性篩選從綿羊瘤胃元基因組文庫中獲得2個(gè)新的酯酶基因發(fā)現(xiàn)，其中一個(gè)酯酶基因（estGK1）在保守五肽GHSQG中含有絲氨酸催化位點(diǎn)，表明這是一個(gè)典型的酯酶。Wong等［30］利用活性篩選從奶牛瘤胃λ-ZAP-II文庫中獲得一個(gè)典型的C型阿魏酸酯酶（RuFae2），這個(gè)酶對米糠、麥麩、柳枝稷和玉米麩皮等底物的活性依次降低，并且在內(nèi)切木聚糖酶（GH10）的協(xié)同作用下對麥麩的降解活性提高了6.7倍。

2.6 多功能酶

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中往往需要連續(xù)進(jìn)行多步、復(fù)雜的反應(yīng)，頻繁添加酶催化劑是不現(xiàn)實(shí)的，因此挖掘一些活性范圍廣、耐受性強(qiáng)的多功能酶的要求就十分迫切。多功能酶已經(jīng)成為許多研究者的新課題，近年來至少有5個(gè)多功能酶陽性克隆被篩選出來。Palackal等［31］采用活性篩選從奶牛腸道微生物λ-ZAP文庫中獲得一個(gè)多功能混合糖基水解酶，這個(gè)酶具有甘露聚糖酶、木聚糖酶和葡聚糖酶活性，位點(diǎn)突變表明它分別具有水解β-1，4-鍵甘露聚糖底物和水解β-1，4-鍵木聚糖、葡聚糖底物的兩個(gè)獨(dú)立催化域。Bao等［32］利用活性篩選從牦牛瘤胃Cosmid文庫中獲得具有內(nèi)切和外切活性的β-1，4-葡糖苷酶，該酶不僅對羧甲基纖維素和4-硝基苯基-β-D-纖維二糖糖苷有活性，還可以水解結(jié)晶與非結(jié)晶形態(tài)的纖維素。Chang等［33］利用活性篩選從牦牛瘤胃Cosmid文庫中獲得一個(gè)木聚糖酶/內(nèi)切葡聚糖酶雙功能酶（RuCelA），該酶水解木聚糖酶和內(nèi)切葡聚糖底物的最適條件分別65℃，pH7.0和50℃，pH5.0。Bao等［34］通過活性篩選從牦牛瘤胃Cosmid文庫中獲得兩個(gè)β-葡糖苷酶/木糖苷酶雙功能酶，這兩個(gè)酶通過與木聚糖酶的協(xié)同作用能夠使木糖降解中還原糖的釋放量分別增加218%和169%。Rashamuse等［35］將水牛瘤胃微生物DNA導(dǎo)入pCC2FOS載體構(gòu)建了元基因組文庫，并從中篩選出兩個(gè)纖維素/木聚糖雙功能酶，這兩個(gè)酶對長鏈低聚糖（n＞3）有較高的親和性，能夠降解纖維素和半纖維素的β-1，4鍵。Ko等［36］將韓宇奶牛瘤胃DNA導(dǎo)入pCC1FOS載體中構(gòu)建了Fosimd文庫（文庫中包括部分甘薯田間土壤DNA），通過高通量篩選方法（Robotic HTS system）獲得了4個(gè)外切纖維素分解酶活性克隆，對其中一個(gè)基因（CelEx-BR12）表達(dá)后發(fā)現(xiàn)該酶對熒光和天然糖苷底物［CMC（105.9 U/mg）］、白樺木聚糖（132.3 U/mg）和2-羥乙基纖維素（26.3 U/mg）均有較高活性，表明該酶是一個(gè)外切纖維素酶/內(nèi)切纖維素酶/木聚糖酶多功能酶［37］。

2.7 其他酶

在某些極端反應(yīng)體系中要求催化劑具有廣泛的適用性，而反芻動(dòng)物瘤胃是一個(gè)強(qiáng)酸性的厭氧環(huán)境，對多種物質(zhì)的消化和適應(yīng)使其成為開發(fā)新型酶類的關(guān)注點(diǎn)。Beloqui等［38］利用活性篩選從牛瘤胃元基因組文庫中獲得新的多酚氧化酶，研究表明該酶屬于具有漆酶活性的多銅氧化酶。趙圣國等［39］通過活性篩選從奶牛瘤胃BAC文庫的15 360個(gè)克隆中篩選得到了12個(gè)脲酶克隆，利用酚-次氯酸法對脲酶克隆子的酶學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析表明這些酶的活力范圍是30-2 466 U/mg。Math等［40］通過活性篩選從奶牛瘤胃元基因組文庫中獲得一個(gè)新型3，5，6-三氯-2-吡啶醇降解酶，這是首次對編碼TCP降解酶基因的報(bào)道。

3 利用元基因組學(xué)方法從瘤胃中篩選得到的酶類相關(guān)基因

隨著第二代測序技術(shù)的迅速發(fā)展，測序速度和數(shù)據(jù)量大大提高，由于其無需構(gòu)建文庫，能最大程度地節(jié)約人力、物力資源，因此第二代測序技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于瘤胃微生物中生物催化劑的篩選（表2）。綜合國內(nèi)外近年來的研究，共獲得至少278 Gb的瘤胃基因組數(shù)據(jù)，40 475多條碳水化合物降解酶（CAZy）相關(guān)基因，這些數(shù)據(jù)將成為瘤胃基因組資源開發(fā)的重大寶庫。

Brulc等［43］通過454測序技術(shù)對安格斯-西門塔爾雜交牛瘤胃固相和液相微生物DNA序列進(jìn)行了分析，共獲得0.051 Gb數(shù)據(jù)，并從中揭示出大量糖基水解酶相關(guān)基因。Hess等［44］利用Illumina GAIIx、HiSeq2000和GAIIx對奶牛瘤胃纖維吸附微生物進(jìn)行全基因組DNA測序，共獲得268 Gb元基因組數(shù)據(jù)，鑒別出27 755個(gè)碳水化合活性相關(guān)基因，并表達(dá)出90個(gè)候選蛋白酶，其中57%的酶具有纖維素降解酶活性。Dai等［45］對牦牛瘤胃全基因組DNA進(jìn)行454測序后共獲得88 Mb數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，GH5、GH9和GH10等纖維素酶/半纖維素酶基因占有主要優(yōu)勢。Pope等［46］對斯瓦爾巴特群島馴鹿瘤胃微生物DNA進(jìn)行鳥槍法測序后，從300 Mb數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)約5 000條糖苷水解酶相關(guān)基因，其中400條與纖維降解有關(guān)，大部分屬于GH5和GH9家族。Wang等［47］在構(gòu)建娟姍牛Fosmid文庫后，通過活性篩選從14 000個(gè)克隆中獲得34個(gè)纖維素分解酶、52個(gè)木聚糖分解酶、1個(gè)淀粉分解酶和33個(gè)秦皮甲素分解酶陽性克隆，對這些克隆測序后發(fā)現(xiàn)大部分基因與木聚糖和纖維素水解相關(guān)。Singh等［48］利用鳥槍法對印度水牛瘤胃微生物基因組進(jìn)行測序，共獲得3.9 Gb數(shù)據(jù)，這些序列組裝成137 270條序列，其中包括1 943條糖苷水解酶（GH）序列，23條碳水化合物結(jié)合模塊（CBM）序列，373條糖基轉(zhuǎn)移酶（GT）序列，259條碳水化合物酯酶（CE）序列和16條多糖裂解酶（PE）序列［49］。

表2 利用直接測序法從瘤胃中篩選的酶基因

4 結(jié)語

迄今，已經(jīng)通過元基因組學(xué)技術(shù)從瘤胃中篩選獲得了200多個(gè)生物催化酶陽性克?。ɑ颍┖椭辽?78 Gb瘤胃微生物基因數(shù)據(jù)，為全面開發(fā)利用瘤胃資源提供了一種非常有效的手段。但由于元基因組技術(shù)在胃腸道微生物探索上還處于起步階段，在增強(qiáng)宿主表達(dá)能力、開發(fā)新型基因工具與提高篩選效率等方面還存在許多限制。另一方面，盡管高通量測序技術(shù)飛速發(fā)展，測序速度與成本價(jià)格的比值日益增加，但是核酸序列數(shù)量的跨越式累積，使得目前常規(guī)的統(tǒng)計(jì)分析方法捉襟見肘，生物信息學(xué)的變革首當(dāng)其沖，適用于多種交叉學(xué)科的新統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的開發(fā)及生物信息學(xué)知識(shí)的補(bǔ)充與更新成為當(dāng)前的迫切需求。

目前，基于瘤胃元基因組文庫的篩選研究均集中于對新型或者高效酶基因的發(fā)現(xiàn)、篩選和表達(dá)方面，但是對于這些酶高效催化的機(jī)理機(jī)制與酶蛋白的分子改良方向尚不完全清楚。未來不僅需要深入研究酶蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)、催化劑與底物結(jié)合過程、分析其活性位點(diǎn)與催化位點(diǎn)、找出有助于催化作用的輔因子，而且應(yīng)利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)對酶蛋白進(jìn)行定向改造、通過點(diǎn)突變改變活性或催化位點(diǎn)，并且構(gòu)建酶基因與輔因子的共表達(dá)體系等一系列手段來獲得更高效、安全和環(huán)保的新型酶類，使人類的生產(chǎn)和生活向更經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的綠色可持續(xù)方向發(fā)展。

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（責(zé)任編輯 狄艷紅）

Research Progress of Enzyme and Relevant Gene Screened from Rumen by Metagenomic Approach

Zhang Jun1Zhao Shengguo1Wang Jiaqi1Jin Di1Bu Dengpan1，2，3

（1. State Key Laboratory of Animal Nutrition，Institute of Animal Sciences，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing100193；2. World Agroforestry Centre，East and Central Asia，Beijing100193；3. Synergetic Innovation Center of Food Safety and Nutrition，Harbin 150030）

Rumen microbial community is a complex biological system with extremely rich biodiversity and large amount of genetic and ecological resources， and it is also an important treasury for the development of enzyme. Using metagenomic approach could avoid the restriction of microbial culturing， with directly extracting DNA， gene screening and expressing the uncultured microbes to enlarge the database of genes，which provides possibility for the development of novel biocatalyst. The study explained metagenomic approach， and summarized the application of metagenomic approach in screening functional enzymes and studying relevant genes from rumen.

metagenomic；rumen；screening；enzyme

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.05.006

2014-08-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31261140365），“十二五”科技支撐計(jì)劃（2012BAD12B02-5），動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題（2004DA125184G1103）

張俊，男，碩士研究生，研究方向：反芻動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)；E-mail：zhangjun_4033@126.com

卜登攀，男，研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向：反芻動(dòng)物營養(yǎng)與代謝調(diào)控；E-mail：budengpan@126.com