微生物多源基因庫
微生物多源基因庫
凱╄SωPёrζStαr 周五 1月 09, 2009 2:08 pm
什麼是多源基因組
多源基因組（體），顧名思義就是來自多種生物源的基因組（體），是由英文 metagenome 翻譯過來的。這個字是美國學者韓德斯嫚於 1998 年創造的，它是由 meta-analysis 與 genome 二字合成而來。其中 meta-analysis 是統計學上的用詞，其意義在聯合多種個別分析的過程。而 genome 則是一個自 2000 年完成人類基因排序後，大家比較熟悉的字，它的意思是生物細胞的遺傳物質。並由這產生了許多相關的衍生字，如多源基因體學（metagenomics）、多源基因庫（metagenomic library）等。
在微生物多源基因庫的建構過程中，不用針對樣品中的微生物進行培養與分離步驟，因此可以把目前無法經人工培養的微生物基因組納入基因庫中，以增加基因庫的多樣性。最重要的是透過這種技術，便可利用以往無法窺究但又極具價值的微生物遺傳資源。
微生物種類
隨著環境的過度開發，直接與間接地破壞物種與生態，導致地球上生物的多樣性逐漸喪失。因此近幾年來，生物多樣性的保護成為世界各國甚為重視的議題之一。生物多樣性包括遺傳多樣性、物種多樣性及生態系多樣性3個部分，三者關係密不可分。
生物遺傳多樣性的發展，實因物種為適應生存環境演化而來，遺傳多樣性愈豐富，物種適應環境的潛力愈大。遺傳多樣性是自然力所形成的，包含很多珍貴但未知的資源，是一座寶藏，可對未來人類與生物延續提供幫助。根據紀錄顯示，目前全世界約有 140 萬種物種，但也有研究指出，地球上可能有三千萬種物種，而微生物的種類應該有數百萬到千萬之譜。由於絕大部分的微生物無法經由人類的培養分類，因此目前已知的微生物僅 11 萬種而已。
微生物鑑定
微生物遍布整個生物圈，但絕大部分仍未被研究，因為傳統的標準培養方式對大部分的微生物行不通，可被培養的僅占其中的 1％ 而已，未知或不能培養的微生物占了 99％。為了探討微生物的多樣性，必須發展出一套不需經微生物培養步驟就可進行評估的技術。
通常是採用分子演化遺傳法，而探討微生物的標的是小次單位核醣體核醣核酸基因，利用退化性通用引子，把經過聚合酶連鎖反應（polymerase chain reaction, PCR）增幅後的產物選殖於載體上，再進行去氧核醣核酸（DNA）序列解析。依據各個不同的小次單位核醣體核醣核酸基因序列做演化分析，就可發現許多預期外的演化類緣，即使是其中某些類緣與已知生物差距很遠，但對生物圈的影響也提供了某種程度的貢獻。
多源基因庫的建構
在大自然裡，微生物含有豐富的遺傳資源可供挖掘，但限於目前標準的分離菌株技術，超過 99％ 的微生物無法透過實驗室中的操作加以單獨分離。因此，為了保存並利用環境微生物的遺傳多樣性，必須開發不需要分離菌株步驟的新技術，其中以直接建構基因庫的方式最為簡單可行。
建構基因庫的步驟是先把環境樣品，如土壤、堆肥、活性污泥、厭氣沉澱物或瘤胃（反芻動物的第一個胃）內容物，經由直接或間接的方式萃取其中微生物的DNA。若以直接的方式萃取，可得到非常多種微生物的 DNA，但 DNA 分子通常會小於五萬鹼基對。若以間接的方式萃取，則可得到分子量較大的 DNA，這種大片段的 DNA，最大可達 100 萬鹼基對，但微生物的多樣性會降低。
微生物 DNA 萃取出來後的下一個步驟，就是經由物理性或限制酶加以適當切割，再接合於載體上。載體的種類依能攜帶外源基因片段的大小可分成三類，第一類是質體（plasmid），可攜帶的片段大小約為一萬鹼基對以下，第二類是噬菌粒（cosmid）或 fosmid，可攜帶的片段大小約為二萬至四萬鹼基對之間，第三類是細菌人工染色體（bacterial artificial chromosome, BAC），可攜帶的片段大小可達 20 萬鹼基對。然後轉形於宿主細胞（通常是大腸桿菌）中，如此形成的基因庫稱為多源基因庫。
一般而言，質體系統建構的基因庫株系龐大，動輒數十萬個，而 BAC 系統建構的基因庫株系較小，約數萬個左右，噬菌粒或 fosmid 系統建構的基因庫株系，數目介於前二者之間。有了基因庫後，最重要的目標就是篩選具有學術或產業價值的基因。小片段 DNA 基因庫適合單一表現基因或小基因叢的篩選，而大片段 DNA 基因庫則適合單一表現基因或大基因叢的篩選。至於篩選的方式目前也有兩種，一種是功能導向的篩選方式，另一種是序列導向的篩選方式。
所謂功能導向的篩選方式，是利用基因的表現會造成外觀上的改變，來做為篩選的依據。例如胞外蛋白酶基因在表現時會分泌於細胞外，造成如含脫脂奶粉的選擇性培養基，在菌落周圍產生透明圈的現象，這是因為脫脂奶粉是蛋白酶的受質，當其被分解時，培養基就會顯現透明狀態。利用這種方式，可大量且快速地篩選標的基因。
然而，也有許多的基因無法表現或已表現但無法產生外觀上有變化的產物，因此就必須採用第二種篩選方式。把標的基因與相關的其他已知基因序列做比對分析，以選擇 DNA 序列相似性較高的區域序列，設計實驗檢測用的雜交探針或 PCR 引子，再利用雜交方式或 PCR 來篩選基因庫中可能含有的標的基因。通常第二種篩選方式較第一種複雜，也比較費時、費工及耗費成本。
把篩選得到具有生物活性的株系，進一步研究其 DNA 序列與其基因產物的生化特性。至此，最起碼已提供了具學術價值的資料，接下來則是進一步評估這個基因產物是否具有產業價值。
多源基因組（體），顧名思義就是來自多種生物源的基因組（體），是由英文 metagenome 翻譯過來的。這個字是美國學者韓德斯嫚於 1998 年創造的，它是由 meta-analysis 與 genome 二字合成而來。其中 meta-analysis 是統計學上的用詞，其意義在聯合多種個別分析的過程。而 genome 則是一個自 2000 年完成人類基因排序後，大家比較熟悉的字，它的意思是生物細胞的遺傳物質。並由這產生了許多相關的衍生字，如多源基因體學（metagenomics）、多源基因庫（metagenomic library）等。
在微生物多源基因庫的建構過程中，不用針對樣品中的微生物進行培養與分離步驟，因此可以把目前無法經人工培養的微生物基因組納入基因庫中，以增加基因庫的多樣性。最重要的是透過這種技術，便可利用以往無法窺究但又極具價值的微生物遺傳資源。
微生物種類
隨著環境的過度開發，直接與間接地破壞物種與生態，導致地球上生物的多樣性逐漸喪失。因此近幾年來，生物多樣性的保護成為世界各國甚為重視的議題之一。生物多樣性包括遺傳多樣性、物種多樣性及生態系多樣性3個部分，三者關係密不可分。
生物遺傳多樣性的發展，實因物種為適應生存環境演化而來，遺傳多樣性愈豐富，物種適應環境的潛力愈大。遺傳多樣性是自然力所形成的，包含很多珍貴但未知的資源，是一座寶藏，可對未來人類與生物延續提供幫助。根據紀錄顯示，目前全世界約有 140 萬種物種，但也有研究指出，地球上可能有三千萬種物種，而微生物的種類應該有數百萬到千萬之譜。由於絕大部分的微生物無法經由人類的培養分類，因此目前已知的微生物僅 11 萬種而已。
微生物鑑定
微生物遍布整個生物圈，但絕大部分仍未被研究，因為傳統的標準培養方式對大部分的微生物行不通，可被培養的僅占其中的 1％ 而已，未知或不能培養的微生物占了 99％。為了探討微生物的多樣性，必須發展出一套不需經微生物培養步驟就可進行評估的技術。
通常是採用分子演化遺傳法，而探討微生物的標的是小次單位核醣體核醣核酸基因，利用退化性通用引子，把經過聚合酶連鎖反應（polymerase chain reaction, PCR）增幅後的產物選殖於載體上，再進行去氧核醣核酸（DNA）序列解析。依據各個不同的小次單位核醣體核醣核酸基因序列做演化分析，就可發現許多預期外的演化類緣，即使是其中某些類緣與已知生物差距很遠，但對生物圈的影響也提供了某種程度的貢獻。
多源基因庫的建構
在大自然裡，微生物含有豐富的遺傳資源可供挖掘，但限於目前標準的分離菌株技術，超過 99％ 的微生物無法透過實驗室中的操作加以單獨分離。因此，為了保存並利用環境微生物的遺傳多樣性，必須開發不需要分離菌株步驟的新技術，其中以直接建構基因庫的方式最為簡單可行。
建構基因庫的步驟是先把環境樣品，如土壤、堆肥、活性污泥、厭氣沉澱物或瘤胃（反芻動物的第一個胃）內容物，經由直接或間接的方式萃取其中微生物的DNA。若以直接的方式萃取，可得到非常多種微生物的 DNA，但 DNA 分子通常會小於五萬鹼基對。若以間接的方式萃取，則可得到分子量較大的 DNA，這種大片段的 DNA，最大可達 100 萬鹼基對，但微生物的多樣性會降低。
微生物 DNA 萃取出來後的下一個步驟，就是經由物理性或限制酶加以適當切割，再接合於載體上。載體的種類依能攜帶外源基因片段的大小可分成三類，第一類是質體（plasmid），可攜帶的片段大小約為一萬鹼基對以下，第二類是噬菌粒（cosmid）或 fosmid，可攜帶的片段大小約為二萬至四萬鹼基對之間，第三類是細菌人工染色體（bacterial artificial chromosome, BAC），可攜帶的片段大小可達 20 萬鹼基對。然後轉形於宿主細胞（通常是大腸桿菌）中，如此形成的基因庫稱為多源基因庫。
一般而言，質體系統建構的基因庫株系龐大，動輒數十萬個，而 BAC 系統建構的基因庫株系較小，約數萬個左右，噬菌粒或 fosmid 系統建構的基因庫株系，數目介於前二者之間。有了基因庫後，最重要的目標就是篩選具有學術或產業價值的基因。小片段 DNA 基因庫適合單一表現基因或小基因叢的篩選，而大片段 DNA 基因庫則適合單一表現基因或大基因叢的篩選。至於篩選的方式目前也有兩種，一種是功能導向的篩選方式，另一種是序列導向的篩選方式。
所謂功能導向的篩選方式，是利用基因的表現會造成外觀上的改變，來做為篩選的依據。例如胞外蛋白酶基因在表現時會分泌於細胞外，造成如含脫脂奶粉的選擇性培養基，在菌落周圍產生透明圈的現象，這是因為脫脂奶粉是蛋白酶的受質，當其被分解時，培養基就會顯現透明狀態。利用這種方式，可大量且快速地篩選標的基因。
然而，也有許多的基因無法表現或已表現但無法產生外觀上有變化的產物，因此就必須採用第二種篩選方式。把標的基因與相關的其他已知基因序列做比對分析，以選擇 DNA 序列相似性較高的區域序列，設計實驗檢測用的雜交探針或 PCR 引子，再利用雜交方式或 PCR 來篩選基因庫中可能含有的標的基因。通常第二種篩選方式較第一種複雜，也比較費時、費工及耗費成本。
把篩選得到具有生物活性的株系，進一步研究其 DNA 序列與其基因產物的生化特性。至此，最起碼已提供了具學術價值的資料，接下來則是進一步評估這個基因產物是否具有產業價值。
凱╄SωPёrζStαr- 略有小成(level15)
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