从环境宏基因组中挖掘功能基因通常有两条技术路线，一条是建立克隆文库后直接用筛选压力筛选阳性克隆，一条是通过设计引物，从宏基因组中克隆目标基因，然后进行功能研究。近日，李小方研究员团队发展了第三条技术路线，实现了规模化、回避筛选压力的功能宏基因组路线，并用于了金属硫蛋白基因的高通量挖掘。该研究以“Metagenomics-guided discovery of potential bacterial metallothionein genes conferring Cu/Cd resistance from soil microbiome”为题发表在国际知名期刊 Applied and Environmental Microbiology上。
基于本地数据库挖掘-进化分析-化学合成-功能基因组技术路线的环境DNA功能基因挖掘路线
金属硫蛋白（Metallothionein, MT）是一类富含半胱氨酸的小分子蛋白，具有高效螯合金属离子的能力。当前人们对于真核生物MT的研究较为完善，而对细菌MT的了解甚少。因此，发掘新颖细菌MT基因、拓展对细菌MT多样性的认知，对于开发高效的重金属生物修复材料具有重要意义。
像MTs这类基因，没有明确和方便的功能筛选压力可以使用，由于进化上的多样性，使用传统PCR的方式也无法实现从环境基因组中批量获取。即便使用单个引物设计的方式，由于抗性基因固有的低丰度，也很难成功从环境基因组中克隆到他们。
李小方研究员团队开发了一套基于功能宏基因组学的技术路线。该技术路线首先发展了多样性溃减技术富集功能基因、基于本地化MT数据库的宏基因组注释，然后联合了进化踪迹分析、化学合成和功能基因组学验证，从而实现了从环境样品中高效批量鉴定新颖细菌MT基因。在鉴定到的27个新颖细菌MT基因中，有6个可以在显著增强宿主大肠杆菌的重金属铜/镉抗性的同时提高宿主对铜、镉和锌的富集，其中MT5可以使宿主大肠杆菌的镉富集量增加13.7倍。
在此研究之前，李小方研究团队系统开发了基于本地数据库和功能宏基因组学的功能基因发掘方法，先后建立了微生物砷代谢基因数据库、高GC克隆文库的功能基因组方法、功能宏基因组镉抗性基因挖掘方法等，先后发表在Pedosphere、Genes、Metallomics等杂志。这些研究发掘的功能基因拓展了微生物重金属抗性机制的多样性认识，并且提供了一批潜在的可用于重金属污染治理材料的生物分子。
上述研究受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院“百人计划”和河北省杰出青年科学基金等项目的资助。
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