基于元基因组学的胃肠道芳香族化合物代谢酶类、功能与代谢途径研究

Aromatic compounds comprise the second largest group of organic carbon sources on earth, next to carbohydrates. Aromatic compounds are widespread in nature. Specialized microbial degradative pathways have evolved to overcome the resonance stabilized aromatic nucleus, thereby serving an integral role in the global carbon cycle. Furthermore, characterization of the bioprocessing enzymes comprising such pathways offers opportunities to engineer novel bioremediation and biofuel production strategies. This study based on the structured metagenomic library of the intestinal microbiota of Nycticebus pygmaeus, function driven screening of genes related to the metabolism of aromatic compounds, and focuses on the genetic diversity and pathways of this metabalism. This study investigates also the cloning, heterologous expression and functions of potential genes related to the metabolism of aromatic compounds. This research could lay the groundwork for the exploration and utililization of the intestinal microbe resources and provide a theoretical base for further studies on the metabolizing of aromatic compounds in natural environment.

芳香族化合物是地球上仅次于碳水化合物的第二大类有机碳源，在自然界中广泛存在。特殊的微生物降解途径可以裂解其稳定的芳香环，从而在地球碳素循环中发挥不可或缺的作用。因此，发现并鉴定参与该代谢途径的相关酶类将为新的生物修复和生物能源生产提供策略。本项目拟从已构建的倭蜂猴粪便微生物元基因组文库出发，对其进行芳香族化合物代谢相关酶类基因的功能筛选，研究胃肠道微生物中芳香族化合物代谢酶类基因的遗传多样性及其代谢途径，并对潜在的芳香族化合物代谢酶类功能基因进行克隆、异源表达及功能研究，为发掘和利用倭蜂猴胃肠道微生物资源奠定基础，同时为进一步认识和丰富环境中芳香族化合物代谢提供理论依据。

芳香族化合物是地球上仅次于碳水化合物的第二大类有机碳源，在自然界中广泛存在。特殊的微生物降解途径可以裂解其稳定的芳香环，从而在地球碳素循环中发挥不可或缺的作用。本项目基于元基因组学技术，针对倭蜂猴粪便微生物中芳香族化合物代谢酶类及基因的遗传多样性、功能及其代谢途径进行了以下研究。. 1.倭蜂猴粪便微生物元基因组文库的功能筛选及测序：以芳香族化合物作为唯一碳源，从已构建的倭蜂猴粪便微生物元基因组文库中筛选获得43个阳性克隆，提取Fosmid质粒进行高通量测序。. 2.测序结果的物种组成和芳香族化合物代谢相关基因组成的分析：通过基因功能注释，获得与芳香族化合物代谢有关的大量酶类及基因，主要来源于γ-Proteobacteria和Actinobacteria，含盖了芳香族化合物的好氧和杂合代谢途径。. 3.芳香族化合物代谢基因簇及基因的分析：获得来自Brevibacterium sp. 的完整苯乙酸代谢基因簇，其基因结构、分布和序列与放线菌门及其它革兰氏阳性菌的苯乙酸代谢基因簇存在明显差异。. 4.芳香族化合物代谢相关酶类基因的克隆表达及鉴定：对倭蜂猴粪便微生物宏基因组中获得的两个邻苯二酚1,2-双加氧酶基因（catPL12、catPLCgl）和两个酯酶基因（EstCf8、EstA12）进行了异源表达及纯化。酶学性质及功能研究发现，其酶学特性较好，在降解环境污染物和生产顺, 顺-己二稀二酸方面具有较大的应用潜力。. 结合上述测序分析及基因功能鉴定结果，发现倭蜂猴粪便微生物具有不同于其它环境及微生物来源的芳香族化合物代谢酶类、基因及基因簇，主要与芳香族化合物的好氧和杂合代谢途径相关。上述研究结果，为进一步深入研究倭蜂猴胃肠道微生物芳香族化合物的代谢途径及特点奠定了理论基础，并为倭蜂猴胃肠道微生物酶基因资源挖掘及有应用价值的新型酶的开发奠定了基础。