常見的農業生物質資源（農業資源中心在功能蛋白自然多樣性挖掘方法方面取得進展）

2023-09-14 06:10:41

來源：【中國科學院】

構成蛋白質分子的胺基酸種類、數目以及排列順序決定了蛋白質的多樣性。而數百萬年、數十億年的自然選擇過程形成了蛋白質的自然多樣性。目前已知的功能蛋白質僅僅代表了自然界中蛋白質的一小部分。完整地復原功能蛋白質的自然多樣性，不僅可以為探究天然蛋白質的進化過程奠定基礎，還可以為蛋白質工程改造提供大規模資料庫。然而傳統的環境宏基因組方法，如壓力篩選陽性克隆或通過設計引物從宏基因組中克隆目標基因，都不能大量獲得自然界特定家族未知蛋白。近日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心研究員李小方團隊，通過基於序列的宏基因組學和功能基因組學技術，從全球不同生境挖掘到大量新穎銅抗性copA功能基因。該研究以Sequence-based Functional Metagenomics Reveals Novel Natural Diversity of Functioning CopA in Environmental Microbiomes為題發表在Genomics, Proteomics & Bioinformatics上。

蛋白質自然多樣性的概念在進化生物學的研究以及蛋白質工程改造中起著至關重要的作用。例如，研究者廣泛利用DNA定向RNA聚合酶β亞基（RpoB）和固氮酶鐵蛋白（NifH）的自然多樣性來研究微生物的系統發育，特別是那些不可以人工培養的微生物。在這項研究中，研究團隊開發了基於序列的功能宏基因組學流程，通過結合宏基因組組裝、本地BLAST、進化蹤跡分析、化學合成以及傳統功能基因組學技術，挖掘了全球微生物宏基因組數據中的銅抗性基因copA的多樣性。此研究共收集了來自世界各地的87個宏基因組數據，從數億蛋白序列中篩查到近100000條候選序列，進一步手工篩查獲得175個高置信新穎copA基因序列。系統發育分析表明，幾乎所有預測到的CopA蛋白都與已知CopA蛋白有近緣關係，其中55個序列來自完全未知的物種。通過化學合成10個預測copA基因和3個已知copA基因並轉化銅敏感大腸桿菌，研究發現其中5個預測copA基因不僅提高了宿主的銅抗性，同時促進了宿主對銅的吸收。該研究不僅擴展了人們對環境微生物CopA功能多樣性的認識，也為基因工程修復生物材料的開發提供了寶貴的基因資源。

相關研究工作得到國家自然科學基金面上項目和青年科學基金項目、河北自然科學基金傑出青年項目、國家重點研發計劃項目的資助。

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