第三节 “组学”时代的微生物学
一、微生物“组学”研究概述
微生物“组学”包括基因组学、宏基因组学、转录组学、元转录组学、蛋白质组学、元蛋白质组学、代谢组学、糖组学、脂质组学和人体微生物组学等。
1.微生物基因组学与宏基因组学
近年来，已经完成了数百种模式菌、特殊分布微生物、主要病原微生物、特殊功能微生物等的全基因组测序。微生物基因组学（genomics）研究的重点已由结构基因组学（structural genomics）向功能基因组学（functional genomics）转移。微生物功能基因组学研究不仅要阐明微生物基因组内每个基因的作用或功能，还要研究基因的调节及表达谱，进而从整个基因组及其全套蛋白质产物的结构、功能、机理的高度去了解微生物生命活动的全貌，揭示微生物世界各种前所未知的规律，并使之为人类和社会服务。全面深入的基因组学研究促进了对微生物的起源和进化、适应性等生物学机制的理解。例如，微生物移动基因组（mobilome，包括质粒、噬菌体和转座子等的DNA序列）研究揭示了生物之间横向基因转移的普遍性，发现移动遗传因子（特别是病毒）不仅显著影响了微生物群落的多样性和进化，而且有力驱动了细胞型宿主适应极端环境的潜力。移动遗传因子在疾病感染、抗生素抗性、细菌共生和外源化学物的生物转化等方面都具有重要作用。
宏基因组学（metagenomics）又称元基因组学、环境基因组学、群落基因组学。宏基因组是指环境中全部微生物基因的总和，包含了可培养的和不可培养的微生物的总基因。宏基因组学基于非传统培养方法，通过基因筛选和序列分析等手段，来研究环境微生物的功能活性、多样性、种群结构、进化关系，以及它们与环境之间的关系，获得新的酶及生物活性物质，可极大地拓展微生物基因资源的利用空间，研究其功能和彼此之间的关系和相互作用，并揭示其内在规律。宏基因组学研究已渗透到各个研究领域，包括食品科学、微生物活性筛选、新基因挖掘、医药领域、替代能源、环境修复、生物降解、农业、生物防御、海洋、土壤、热泉、人体口腔及胃肠道等，显示了重要的应用价值。运用宏基因组学可分析微生物分类图谱，深入了解微生物的多样性，有可能挖掘和利用99%以上的不可培养微生物，为功能微生物资源开发利用提供了丰富的研究资源，不仅可用于新药的研发，而且在新的工业用酶、食品微生物研究、食品快速检测及生物活性物质的筛选等方面均具有广阔的应用前景。
2.转录组学与元转录组学
转录组（transcriptome）是特定时间和条件下细胞内所有基因转录的RNA总称，包括mRNA和非编码RNA。转录水平的调控是微生物基因表达调控的重要方式。转录组学（transcriptomics）采用基于杂交的技术（DNA微阵列、DNA宏阵列）、基于标签的技术（基因表达系列分析、大规模平行信号测序系统）和高通量测序技术，从RNA水平研究基因表达及其调控规律。其研究内容包括非编码区域功能研究（noncoding RNA研究、microRNA前体研究等）、转录本结构研究（UTR鉴定、Intron边界鉴定、可变剪切研究、起始密码子鉴定等）、基因转录水平研究和全新转录区域研究等。通过转录组分析，能够高通量地获得基因表达的RNA信息，并揭示基因表达与某些生命现象之间的内在联系。
元转录组学（metatranscriptomics）又称宏转录组学，是一门在整体水平上研究某一特定环境、特定时期群体生物全基因组转录情况以及转录调控规律的学科。它以特定环境中所有微生物的转录产物作为研究对象，通过分析mRNA信息得到微生物群落中基因表达与环境之间的关系，已广泛应用于海洋生态系统中的物质循环、微生物物质代谢，以及土壤等复杂系统中微生物群落的结构和功能研究，并在发现新基因、微生物群落分析、微生物和环境的相互作用、氮素等物质循环的研究中逐渐成为热点。
3.蛋白质组学与元蛋白质组学
蛋白质组（proteome）是指一个组织或细胞中由基因组表达的全部蛋白质。蛋白质组学（proteomics）从整体动力学角度分析细胞内蛋白质的修饰状态、表达水平来了解蛋白质之间的相互作用，从而揭示细胞的活动规律及蛋白质功能。蛋白质组学基于蛋白质分离和质谱鉴定，从细胞、组织或生物体整体的角度来研究蛋白质组成及变化。蛋白质组学研究不仅弥补了传统方法对单个蛋白质研究的局限性，而且其研究结果是对基因组学、转录组学的补充和验证。它比基因组学和转录组学更能够代表生物体真实的生命活动规律。根据研究目的和手段的不同，蛋白质组学可分为组成性蛋白质组学、比较蛋白质组学和相互作用蛋白质组学。组成性蛋白质组学是针对有关基因组或转录组数据库的生物体或组织细胞，建立其蛋白质组或亚蛋白质组及其蛋白质组连锁群。比较蛋白质组学是以重要生命过程或人类重大疾病为对象，进行重要生理病理体系或过程的局部蛋白质组分析。相互作用蛋白质组学又称为“细胞图谱”蛋白质组学，是通过多种先进技术研究蛋白质之间的相互作用，绘制某个体系的蛋白质。蛋白质组学在微生物基因组注释、新药物开发、工业微生物代谢途径与调控机制阐明、食品微生物安全评估与检测、污染物微生物降解等方面，具有广阔的应用前景。
元蛋白质组（metaproteome）是指特定时间点内环境微生物所有蛋白质的总和。元蛋白质组学（metaproteomics）是近年来出现的一种基于蛋白质组学对微生物群落进行研究的新技术，它对特定环境的所有微生物蛋白质进行即时的、大规模的分析。应用元蛋白质组学技术可大规模研究原位微生物群落的蛋白质表达，分析生态系统中微生物的功能，寻找新的功能基因和代谢通路，为微生物群体的基因和功能多样性研究提供数据。
4.糖组学与脂质组学
生物体或细胞内的所有糖链称为糖组（glycome）。糖组学（glycomics）是研究糖链组成及其功能的学科，是基因组学的后续和延伸，具体内容包括研究糖与糖之间、糖与蛋白质之间、糖与核酸之间的联系和相互作用，主要研究对象为聚糖。丰富多样的聚糖覆盖了生物有机体的所有细胞，不仅体现了细胞的类型和状态，也参与了许多生物学行为，如细胞发育、分化、肿瘤转移、微生物感染、免疫反应等。聚糖还体现生物和分子的进化作用，如糖酵解、生物合成的保守性以及核糖的起源等。因此，糖组学的研究既是覆盖细胞功能、发育、进化等多个方面的基础研究，同时也在医药、食品等领域具有重要的潜在应用价值。糖组学研究通常包括聚糖组的分离与纯化、糖链组的分离和富集、糖链的结构解析和定量以及糖链的性质和功能研究。根据糖蛋白组、蛋白聚糖组和糖脂组生物化学性质的不同，可相应采用分步沉淀法、硼酸亲和法、二氧化钛法、亲和层析法、体积排阻法、凝胶过滤层析和柱层析法等进行分离与纯化；进而通过植物凝集素、亲水色谱和固相萃取等技术富集高纯度且特异性的糖链；通过凝集素芯片技术、各种生物质谱及其联用并辅以糖链的衍生化标记对糖链进行结构解析，并应用同位素标记法和代谢标记法对糖链进行相对定量；最后，借助糖链结构解析软件工具及糖链相关数据库进行生物信息学分析，可对糖链的生物学功能进行更全面的解析。
脂质（lipid）不仅是构成细胞膜的组成部分和能量储存物质，而且还在生命活动中发挥着多种重要的生物学功能。作为代谢组学的分支，脂质组学（lipidomics）是系统性研究生物体、组织或细胞中脂质及与其相互作用分子的一门学科。近年来，脂质组学广泛应用于微生物的表型研究、微生物传染性研究、微生物耐药机制研究、耐药菌生物标志物发现、药物靶点及新药研发、发酵条件优化的机制研究等方面。
5.人体微生物组学
在人体表面（皮肤）以及与外界相通的腔道如胃肠道、鼻腔、口腔、泌尿生殖道等部位，定植着大量以细菌为主的微生物群落。这些微生物的数量可达人体自身细胞数的10倍以上，其基因数量更多达人体基因数的100多倍。微生物群落在人体内维持一定的动态平衡，参与调节人体的一系列生理生化反应，如免疫调节、食物消化、维生素合成等。人体微生物与诸多人类重大疾病息息相关，如肥胖症、糖尿病、自闭症、过敏症、炎症性肠道疾病、心血管疾病、多种癌症以及抑郁症等大量代谢、精神、免疫系统疾病。因此，人体微生物可能成为干预治疗的最新靶标，从而在这些重大疾病的诊断、分析和治疗上发挥重要作用。人体微生物组（Human microbiome）的概念最早在2001年就提出了，是人体共栖、共生和致病的所有微生物的总称，是人体基因组中不可缺少的组成部分。近年来，随着DNA测序技术的进步，美国、欧盟等开展了一系列微生物组相关的国际性重大项目研究，如美国的人类微生物组项目（Human Microbiome Project，HMP，2008年至今）和国家微生物组计划（National Microbiome Initiative，NMI，2016年5月批准）、欧盟的肠道微生物组计划（Metagenomics of Human Intestinal Tract，MetaHIT，2008～2012年）和地球微生物组项目（Earth Microbiome Project，EMP，2013年至今）等。微生物组的研究，在揭示生命奥秘和生态圈运动规律等方面具有巨大的理论价值，同时也具有重大的产业价值和生态价值。
二、“组学”时代的交叉和融合学科
各种“组学”技术和学科的涌现和发展，促进生命科学进入“生命组学”时代、大发现时代和大数据时代。在该时代，不仅微生物学内部的诸多分支学科（如微生物生理学、微生物遗传学和微生物生态学等）的界限比较模糊，而且生物学学科下的一些二级学科（动物学、植物学、微生物学和生态学等）的研究技术和内容也逐渐趋于一致。此外也促进了生命科学与其他学科的融合，产生了一些新的交叉和融合学科，如系统生物学、定量生物学和合成生物学等。
1.系统生物学
系统生物学（systems biology）综合各种组学的方法，通过高通量的实验手段，从转录组、蛋白质组、代谢组等方面多层次、全方位地检测生物体内的生命活动，同时利用生物信息学的方法和手段对相关的数据进行分析及整合，并在此基础上对相关的生命活动进行模拟，以系统地研究和阐明生命活动的规律。系统生物学主要包括如下内容：细胞信号传导系统、基因调控网络、代谢途径、蛋白质相互作用、生物分子标记的发现和药物的筛选、药物效果的建模等。其研究目标是从如下不同层次来理解生命现象。（a）理解系统的结构：如基因调控及生化网络，以及实体构造；（b）理解系统的行为：定性定量地分析系统动力学，并具备创建理论或模型的能力，可用来进行预测；（c）理解如何控制系统：研究系统控制细胞状态的机制；（d）理解如何设计系统：根据明确了的理论，设计、改进和重建生物系统。系统微生物学主要集中于微生物代谢途径的研究，通过对代谢途径的分析、比较，以期找出最佳的代谢调控方式、关键因子、反应的最佳状态，从而提高有效成分的产率。
2.定量生物学
定量生物学（quantitative biology）是生命科学在近年的飞速发展中，与数学、物理学、化学、信息科学、工学等定量学科交叉和融合后产生的一门新学科，涉及领域包括电气工程、应用电子技术、通信工程、自动控制技术、信息检测与处理技术、微电子技术、电磁场理论与微波技术、光电技术及其与其他学科的交叉研究领域等。高通量技术的进步改变了生物学研究的模式，从集中于分子组成的复杂性，拓展到理解生物系统的组件和网络，寻找生物系统的整体规律。定量生物学是采用系统和定量技术分析和阐释生物系统、结构和工程化生命系统，甚至操作生物过程和功能的一门交叉和融合学科。
3.合成生物学
合成生物学（synthetic biology）是21世纪诞生的新学科，是分子和细胞生物学、进化系统学、生物化学、信息学、数学、计算机和工程等多学科交叉的产物，融合了生命科学、工程学、物理学与化学等诸多学科中的内容，旨在通过设计和建造新的生物元件、功能和系统，以创建在自然界中并不存在的可控方式、生物逻辑和生命系统。合成生物学是基于人类对大肠杆菌（Escherichia coli）、啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）等多种模式微生物细胞基因功能、代谢途径和代谢系统的深入理解和把握的基础上诞生和发展的。在未来的50～100年内，合成生物学将是解决全球性重大问题的重要途径，将对人类的医药健康、军事、农业、能源、环境和化工等领域产生重大影响；同时将使人类以新的视点审视生命起源、进化、结构与功能等问题，加深对生命本质的理解。