微生物的長(zhǎng)相千差萬別,就“身材”而言,有球狀、弧狀、桿狀、棒狀、樹枝狀……就“外貌”而言,有的光溜溜、有的拖著幾條會(huì)旋轉(zhuǎn)的螺旋槳、還有的長(zhǎng)著毛毛……
那么,是什么決定了這些特征呢?
其實(shí),微生物的差異是由其體內(nèi)蘊(yùn)藏著的基因組決定的。
細(xì)菌和真菌的基因組由雙股、環(huán)狀脫氧核糖核酸(DNA)組成,而病毒的基因組構(gòu)成則更為復(fù)雜,既有單股或雙股DNA組成的,也有單正股、單負(fù)股或雙股核糖核酸(RNA)組成的。除了外貌和形狀,微生物的其他特性也是由各自的基因組所決定的。
例如,利用乳酸菌進(jìn)行酸奶發(fā)酵,就是因?yàn)樗幕蚪M中含有能夠編碼使糖類發(fā)酵產(chǎn)生乳酸的基因簇(若干基因的集合)。早在2008年,內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品生物技術(shù)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室就完成了對(duì)益生乳酸菌的全基因組測(cè)序,為后續(xù)優(yōu)質(zhì)基因資源的發(fā)掘打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
人類歷史上獲得的第一套全基因組序列來自一種病毒——φX 174噬菌體,其整個(gè)基因組由5386個(gè)核苷酸組成,呈單鏈、環(huán)狀排布。
φX 174噬菌體整個(gè)基因組共計(jì)包含11個(gè)基因,其中編碼的8個(gè)蛋白質(zhì)是該病毒維持結(jié)構(gòu)所必需的。
φX 174噬菌體專門寄生大腸桿菌,通過將自身的DNA注入大腸桿菌體內(nèi),利用宿主代謝系統(tǒng),通過DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯等步驟,獲得全部組裝配件。隨后,再進(jìn)行新噬菌體的裝配,并最終殺死、破開大腸桿菌這一可憐的宿主,完成釋放。
一個(gè)φX 174噬菌體,完成一次“侵略”便可獲得二百多個(gè)新的個(gè)體!
掌握了微生物的全基因組信息有何用途呢?
將其用于疾病防控和疫苗研制就是很好的范例。
由于微生物基因組里蘊(yùn)藏著它們的所有信息,若能成功破解致病細(xì)菌的基因組,便能從中揭曉其致病的秘密。
科學(xué)家于1995年第一次對(duì)人類致病細(xì)菌嗜血流感桿菌(拉丁學(xué)名:Haemophilus influenzae)進(jìn)行了全基因組測(cè)序,并獲得了細(xì)菌的第一幅全基因組圖譜。
雖然嗜血流感桿菌能夠引發(fā)人類的菌血病癥和急性細(xì)菌性腦膜炎,但是只有披著莢膜(細(xì)菌的一種附屬物)的它才是致病的。
因?yàn)椋辛饲v膜它才能夠抵抗無(或低)免疫力人群細(xì)胞的吞噬作用,不觸發(fā)補(bǔ)體(一種蛋白質(zhì))介導(dǎo)的裂解。有了它的全基因組信息,就可查找以負(fù)責(zé)莢膜形成基因?yàn)榇淼南嚓P(guān)致病基因,選擇藥物、研發(fā)高針對(duì)性的診斷試劑和防治疫苗。
目前,我國已有多種基因工程疫苗問世,包括乙肝基因工程亞單位疫苗、霍亂基因工程亞單位疫苗、肺炎鏈球菌基因工程亞單位疫苗、以及流腦基因工程亞單位疫苗等。此外,通過分析微生物基因組,還能夠?qū)δ承┎豢审w外培養(yǎng)的致病微生物進(jìn)行耐藥性分析和敏感治療藥物篩選。
毫不夸張地說,微生物基因組測(cè)序已經(jīng)徹底改變了人類知曉細(xì)菌發(fā)病機(jī)理的模式,而對(duì)諸如專性細(xì)胞內(nèi)寄生細(xì)菌和不能在體外培養(yǎng)的微生物而言,基因組測(cè)序更是近乎成為發(fā)現(xiàn)毒力基因的唯一途徑。
隨著基因組測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展,測(cè)序成本正在按照類似摩爾定律的曲線下降(摩爾定律:價(jià)格不變前提下,電腦性能每隔18-24個(gè)月就可提升一倍),大規(guī)模、多物種測(cè)序的時(shí)代已經(jīng)到來。
人類通過解析微生物基因組,必將洞悉微生物的“五臟六腑”,進(jìn)而充分利用有益微生物資源,嚴(yán)格控制有害微生物,將前進(jìn)的方向盤牢牢把握在自己手中。
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