PM高通量微生物代謝表型芯片系統(tǒng)
- ：PM
：美國(guó)Biolog
：PM可用來測(cè)定微生物細(xì)胞的表型，是與DNA芯片和蛋白質(zhì)組技術(shù)并列的、應(yīng)用在基因組研究和藥物開發(fā)的三大技術(shù)之一。PM技術(shù)可以迅速、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、高效的以同一標(biāo)準(zhǔn)模式同時(shí)測(cè)試幾千種細(xì)胞代謝表型。通過對(duì)活體細(xì)胞進(jìn)行測(cè)試，可以檢測(cè)細(xì)胞基因變化、用藥甚至環(huán)境變化后 所引起的細(xì)胞代謝表型的變化情況。該技術(shù)是分子方法（如：DNA芯片和蛋白質(zhì)組等方法）非常有力的支持和補(bǔ)充 手段，在其強(qiáng)大軟件的支持下能迅速、準(zhǔn)確的獲得很多非常有用的信息。同時(shí)為下一步更加深入的研究指明方向，同時(shí)提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持。
技術(shù)原理：
PM原理
PM系統(tǒng)在96孔微孔板(PM平板)的每個(gè)孔里固定不同的干化細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì),當(dāng)加入細(xì)胞懸液和顯色物質(zhì)并培養(yǎng)后,細(xì)胞表型就可以通過顏色變化表現(xiàn)出來.如果細(xì)胞發(fā)生呼吸代謝,那么顯色劑就從無色的氧化態(tài)被還原為紫色的還原態(tài),表型反應(yīng)為陽(yáng)性;如果無顏色變化,則表型反應(yīng)為陰性。微孔板的培養(yǎng)及數(shù)據(jù)的獲取由0mnilog系統(tǒng)自動(dòng)完成,系統(tǒng)可定時(shí)自動(dòng)測(cè)定顏色變化值,最后得到表型反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)曲線,從而定量測(cè)定表型反應(yīng)的強(qiáng)弱。樣品的動(dòng)力學(xué)曲線(顯示為綠色)及對(duì)照的動(dòng)力學(xué)曲線(顯示為紅色)通過系統(tǒng)中軟件的數(shù)據(jù)計(jì)算.處理后疊加在一起。有相同動(dòng)力學(xué)曲線的重疊區(qū)域被標(biāo)記為黃色,而有差異的表型部分則很明顯的顯示出來(紅色/綠色)。
各種不同的PM平板上包被了多種活體細(xì)胞生長(zhǎng)需要依賴的基質(zhì),因此可以進(jìn)行不同生長(zhǎng)條件下的測(cè)試。包括有C.N.P.5.滲適壓.PH值、化學(xué)藥物等基質(zhì)條件下細(xì)的表型的測(cè)試,目前PM表型板25塊,測(cè)試的表型達(dá)到了2400種,已經(jīng)可以用于革蘭氏陰性細(xì)菌,陽(yáng)性細(xì)菌、酵母和絲狀真菌細(xì)胞表型的研究。
PM軟件
PM系統(tǒng)包含兩張軟件光盤，包含的軟件如下:
CD1:Data Collection數(shù)據(jù)收集軟件
CD2:Data Fileconverter數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件,File management/KineticAnalysis動(dòng)力學(xué)分析軟件，
Parametric Analysis菌株表型對(duì)比軟件
強(qiáng)大的第三方分析工具
OPM是一個(gè)基于R語言環(huán)境的統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件包,用于PM數(shù)據(jù)分析,提供了優(yōu)化和分析動(dòng)力學(xué)曲線,聚合曲線參數(shù),記錄樣品和實(shí)驗(yàn)設(shè)置的相關(guān)元數(shù)據(jù)以及用圖形和統(tǒng)計(jì)方法分析高度復(fù)雜的數(shù)據(jù)集等工具。該軟件包還包括95%的置信度圖,增強(qiáng)的熱圖圖形以及用于比較動(dòng)力學(xué)曲線的定制多重比較,還可以將數(shù)據(jù)和KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合分析代謝路徑等。
DuctApe是一個(gè)用python編寫的數(shù)據(jù)分析軟件,可幫助生物信息學(xué)家分析基因組和表型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).該軟件將基因組信息(編碼為KEGG代謝路徑)與表型微陣列(Phenomic Microarrays)的結(jié)果相結(jié)合,并突出顯示可能導(dǎo)致表型變異的基因。
應(yīng)用舉例
一,基因功能研究
確定功能基因組的功能
發(fā)現(xiàn)編碼特定靶標(biāo)的基因細(xì)胞系改進(jìn)
細(xì)胞表型穩(wěn)定性測(cè)試(基因穩(wěn)定性)
二、發(fā)酵條件優(yōu)化及代謝調(diào)控研究
發(fā)酵條件優(yōu)化:PM技術(shù)可用于微生物發(fā)酵條件優(yōu)化,例如用PM1-10,在2天內(nèi)可獲得約1000個(gè)代謝信息,對(duì)這些信息進(jìn)行分析后,可獲得最有用的幾十個(gè)對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)有利的底物信息,進(jìn)一步優(yōu)化后可以快速確定細(xì)胞的最佳培養(yǎng)條件。
代謝調(diào)控因子研究:通過將實(shí)驗(yàn)組(細(xì)胞+調(diào)控因子)與對(duì)照組(細(xì)胞,不含調(diào)控因子)接種在同一種PM板上,培養(yǎng)數(shù)天后,可以獲得大量的信息,通過軟件對(duì)比,可以快速找到調(diào)控因子對(duì)代謝的影響。
優(yōu)化孢子萌發(fā)的條件、孢子形成條件研究:在真菌研究和應(yīng)用領(lǐng)域,孢子的萌發(fā)和形成是經(jīng)典的研究方向。將PM技術(shù)與傳統(tǒng)的真菌形態(tài)學(xué)觀察相結(jié)合,可以快速找到影響孢子萌發(fā)和形成的因素。
優(yōu)化二級(jí)代謝產(chǎn)物生成條件:如抗生素,細(xì)菌、真菌毒素的產(chǎn)生,將PM技術(shù)與抑菌圈法、色譜法,直觀顏色判斷法或活細(xì)胞測(cè)試等相結(jié)合,通過快速確定培養(yǎng)后PM板每個(gè)微孔中的苗液是否含有相應(yīng)的刺激代謝產(chǎn)物。
發(fā)現(xiàn)有用的酶活性:將PM技術(shù)與其它酶活快速篩選或生物信息學(xué)方法結(jié)合,可對(duì)培養(yǎng)后的PM板的每個(gè)微反應(yīng)體系進(jìn)行快速初篩,以判斷某種底物是否對(duì)產(chǎn)生特定酶有用。
三.菌株(不同處理,環(huán)境)間代謝信息的比較與分析
通過分子生物學(xué)手段往往無法區(qū)分同種微生物的不同菌株,更無法對(duì)相同菌株在不同環(huán)境下的特性進(jìn)行對(duì)比分析,而PM系統(tǒng)則可快速鎖定其代謝差異,為后期進(jìn)一步的研究指明方向并提供相應(yīng)數(shù)據(jù)。特別適合微生物代謝、致病機(jī)理研究以及進(jìn)行流行病學(xué)分析。
四,流行病學(xué)分析
五.其他應(yīng)用
PM系統(tǒng)除了常用與細(xì)菌.真菌等微生物的表型測(cè)試研究外,還可用于立克次氏體、噬菌體等不易培養(yǎng)的微生物的表型測(cè)試。此平臺(tái)具有廣泛的可擴(kuò)展的潛力,可用于測(cè)試幾乎所有種類微生物的表型,甚至還能用于小球藻等單細(xì)胞生物的研究。
