宏基因組

宏基因組 ( Metagenome)(也稱微生物環境基因組 Microbial Environmental Genome, 或元基因組) 。是由 Handelsman 等 1998 年提出的新名詞, 其定義為“the genomes of the total microbiota found in nature” , 即生境中全部微小生物遺傳物質的總和。它包含了可培養的和未可培養的微生物的基因, 目前主要指環境樣品中的細菌和真菌的基因組總和。而所謂宏基因組學 (或元基因組學, metagenomics) 就是一種以環境樣品中的微生物群體基因組為研究對象, 以功能基因篩選和/或測序分析為研究手段, 以微生物多樣性、種群結構、進化關係、功能活性、相互協作關係及與環境之間的關係為研究目的的新的微生物研究方法。一般包括從環境樣品中提取基因組 DNA, 進行高通量測序分析，或克隆DNA到合適的載體，導入宿主菌體，篩選目的轉化子等工作。

特定生物種基因組研究使人們的認識單元實現了從單一基因到基因集合的轉變，宏基因組研究將使人們擺脫物種界限，揭示更高更複雜層次上的生命運動規律。在目前的基因結構功能認識和基因操作技術背景下，細菌宏基因組成為研究和開發的主要對象。細菌宏基因組細菌人工染色體文庫篩選和基因系統學分析使研究者能更有效地開發細菌基因資源，更深入地洞察細菌多樣性。如宏基因組成為生物催化劑的新來源。

環境微生物是自然界中分佈最廣、種類最多、數量最大的生物類群。自1663年，列文虎克利用自製顯微鏡首次揭開微生物神秘的面紗之後近300多年的時間裡，人們對於微生物的研究主要是建立在純培養基礎上, 後來人們發現通過純培養方法估計的環境微生物多樣性只佔總量的0.1%~1%, 這使得微生物的多樣性資源難以得到全面的開發和利用，如何充分開拓利用環境微生物新資源是目前環境微生物研究的重要課題之一。

近年來發展起來的宏基因組學技術避開傳統的微生物分離培養方法直接從環境樣品中提取總DNA, 通過構建和篩選宏基因組文庫來獲得新的功能基因和生物活性物質, 宏基因組文庫既包括了可培養的, 又包括了未可培養的微生物遺傳信息, 因此增加了獲得新生物活性物質的機會。

宏基因組 ( Metagenome)（也稱微生物環境基因組Microbial Environmental Genome, 或元基因組）是由 Handelsman 等 1998 年提出的新名詞，其定義為“the genomes of the total microbiota found in nature” , 即環境中全部微小生物遺傳物質的總和。它包含了可培養的和未可培養的微生物的基因，目前主要指環境樣品中的細菌和真菌的基因組總和。宏基因組學(或元基因組學，metagenomics)是一種以環境樣品中的微生物群體基因組為研究對象，以功能基因篩選和/或測序分析為研究手段，以微生物多樣性、種群結構、進化關係、功能活性、相互協作關係及與環境之間的關係為研究目的的新的微生物研究方法。一般包括從環境樣品中提取基因組DNA, 進行高通量測序分析，或克隆DNA到合適的載體，導入宿主菌體，篩選目的轉化子等工作。

特定生物種基因組研究使人們的認識單元實現了從單一基因到基因集合的轉變，宏基因組研究將使人們擺脫物種界限，揭示更高更複雜層次上的生命運動規律。在目前的基因結構功能認識和基因操作技術背景下，細菌宏基因組成為研究和開發的主要對象。細菌宏基因組、細菌人工染色體文庫篩選和基因系統學分析使研究者能更有效地開發細菌基因資源，更深入地洞察細菌多樣性。

宏基因組學的發展經歷了4個階段：

環境基因組學

1991年首次提出環境基因組學(environmental genomics)的概念，同年構建了第一個通過克隆環境樣品中DNA 的噬菌體文庫。

1998年美國國立環境衛生科學研究所啟動了環境基因組計劃(environmental genome project，EGP)，開展有關人體遺傳變異與環境脅迫相互關係的研究。

環境基因組學第一次提出特定生態條件下，全部生物基因組總體概念，這是基因組學的重要進展。

微生物基因組學

1998年提出生命研究對象應是生物環境中全部微小生物的基因組，首次提出針對特定環境樣品中細菌和真菌的基因組總和進行研究的這一宏基因組(metagenome)概念

2007年3月，美國國家科學院以“環境基因組學新科學—— 揭示微生物世界的奧秘”為題發表諮詢報告，指出宏基因組學為探索微生物世界的奧秘提供新的方法，這是繼發明顯微鏡以來研究微生物方法的最重要進展，是對微生物世界認識的革命性突破

宏基因組學

廣義宏基因組是指特定環境下所有生物遺傳物質的總和，它決定了生物群體的生命現象。它是以生態環境中全部DNA作為研究對象，通過克隆、異源表達來篩選有用基因及其產物，研究其功能和彼此之間的關係和相互作用，並揭示其規律的一門科學

狹義宏基因組學則以生態環境中全部細菌和真菌基因組DNA作為研究對象，它不是採用傳統的培養微生物的基因組，包含了可培養和還不能培養的微生物的基因，通過克隆、異源表達來篩選有用基因及其產物，研究其功能和彼此之間的關係和相互作用，並揭示其規律

人類宏基因組學的階段

把人體內所有微生物菌群基因組的總和稱為“人體宏基因組”(human metagenome)。

人類宏基因組學(human metagenomics)研究人體宏基因組結構和功能、相互之間關係、作用規律和與疾病關係的學科。它不僅要把總體基因組序列信息都測定出來，而且還要研究與人體發育和健康有關的基因功能。

人類宏基因組計劃目標是：把人體內共生菌群的基因組序列信息都測定出來，而且要研究與人體發育和健康有關的基因功能。

文庫的質量，目前已發表的文庫很少能夠覆蓋整個宏基因組，這需要進一步優化DNA的提取及克隆方法。

高通量的有效篩選平台，目前從幾萬或幾十萬個克隆中只能篩選到幾個有活性的基因，這主要是由於微生物多樣性高，宏基因組比較複雜，以及外源基因在宿主菌中的表達障礙等等。

宏基因組學研究主要集中於原核生物，對真菌等真核生物研究較少，所構建文庫多為DNA文庫，cDNA文庫較少。