DNA 穩定同位素探測技術 (DNA-SIP) 是一種分子生態學技術，它使用穩定同位素來追蹤復雜環境中微生物的基因組 DNA。利用穩定同位素在復雜環境中追蹤微生物基因組DNA，可實現研究從單一微生物生理過程向微生物群落生理生態學的轉變，在更高、更復雜的層次上定向探索重要的微生物資源，促進微生物生理生態學和生物技術的發展。
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技術原理
DNA-SIP技術的基本原理是基于DNA半保留復制，在培養樣品中添加13C等穩定性同位素底物，DNA復制時將利用添加的13C穩定性同位素底物合成新的DNA子鏈。除磷以外，幾乎所有具有生物學意義的元素均有2種或更多的穩定性同位素。一般而言，重同位素或輕同位素組成的化合物具有相同的生物學特性。合成代謝是所有生命的基本特征之一，碳氮氧等是生命的基本元素，采用穩定性同位素如13C標記底物培養環境樣品，環境中微生物細胞可以利用13C等標記底物不斷生長、分裂和繁殖，并伴隨著新的13C-DNA鏈合成。隨后，提取環境微生物基因組總DNA，并通過超高速密度梯度離心將13C-DNA與12C-DNA分離。在此基礎上，進一步采用分子生物學技術分析13C-DNA，將能揭示復雜環境樣品中同化了標記底物的活性微生物，從而將特定的物質代謝過程與復雜的環境微生物群落物種直接耦合。在微生物群落水平，以13C-物質代謝過程為導向，可以發掘重要功能基因和新的微生物功能類群，從而揭示復雜環境中微生物重要生理代謝過程的分子微生物學機制。
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技術應用
DNA-SIP 技術在地球地球化學循環中的關鍵元素和污染物的微生物降解研究中受到廣泛關注。是研究復雜環境中微生物生理和生態過程的分子機制的重要手段。例如，適用于探索森林土壤和湖泊沉積物中單碳化合物(如甲烷)的微生物生理代謝過程、污染物的微生物降解過程、微生物介導的土壤材料和能量循環過程、植物光合產物的微生物同化和利用過程。
近年來，DNA-SIP技術的應用領域也不斷擴大，在腸道微生物的生理和生態過程、健康醫學、微生物重要功能基因的發現、生物活性物質的高通量篩選、活性生物催化劑的合成等方面具有重要的應用前景。DNA-SIP 與宏基因組學的結合可以將某些微生物的特性與其特殊的代謝聯系起來，不僅可以從宏基因組文庫中檢測出低水平的微生物，還可以加速新酶和其他生物活性物質的開發。該技術有望解決行業內對新型酶制劑的迫切需求，并能顯著提高基因檢測的成功率，大大降低尋找新酶的成本。
案例一
香港中文大學于君團隊在Nature Microbiology(IF=28)在線發表題為“Parabacteroides distasonis uses dietary inulin to suppress NASH via its metabolite pentadecanoic acid”的研究論文，該研究發現可溶性纖維菊粉(inulin)被發現比不溶性纖維素更有效地抑制小鼠NASH進展，如肝臟脂肪變性、壞死炎癥、球囊和纖維化的減少。
該研究采用穩定同位素探測追蹤在NASH進展過程中13C-菊粉在腸道細菌基因組和代謝物中的摻入。該研究發現狄氏副擬桿菌(Parabacteroides distasonis )富含13C-菊粉。13C-菊粉宏基因組和代謝組的整合表明，狄氏副擬桿菌利用菊粉產生了十五烷酸，一種奇鏈脂肪酸，這在體外和無菌小鼠中得到了證實。狄氏副擬桿菌或十五烷酸對小鼠NASH有保護作用。在機制上，菊粉、狄氏副擬桿菌或十五烷酸可以恢復NASH模型中的腸道屏障功能，從而降低血清脂多糖和肝臟促炎細胞因子的表達。總的來說，這表明腸道菌群成員可以利用膳食纖維產生有益的代謝物來抑制代謝性疾病。
總之，該研究團隊巧妙利用穩定同位素示蹤技術，揭示了菊粉保護肝臟的機制，鎖定了“由菊粉，到狄氏副擬桿菌，再到十五烷酸”這樣一條關鍵機制軸。該研究為膳食纖維干預緩解非酒精性脂肪肝炎發展再添新證。也為膳食營養與疾病防治研究領域開拓了新的研究思路。
案例二
廣東省科學院生態環境與土壤研究所研究員孫蔚旻團隊研究發現了微生物介導的硫氧化銻還原耦合的全新生物地球化學過程，確定了微生物Desulfurivibrio spp.參與了此過程及相應代謝途徑。相關研究近日發表于《國際微生物生態學學會雜志》The ISME Journal。
礦山尾礦是Sb污染的重要來源。中國是領先的銻礦大國，占全球產量的80%以上，銻礦的開采已造成以華南為主要礦區的嚴重尾礦污染，因此，迫切需要制定Sb尾礦污染場地修復策略。微生物介導的 Sb(V)還原具有重要的環境意義，考慮到尾礦中有效有機碳含量相對較低，而Sb(V)和還原性S的含量相對較高，化能自養菌可能在尾礦中Sb的遷移轉化過程中發揮重要作用。然而，迄今為止鑒定出的具有Sb(V) 還原能力的細菌(SbRB)十分有限。雖然現有研究已經證明化學自養 Sb(V)還原與H,或CH,的氧化有關，但這些電子供體與嚴重污染的尾礦位點的相關性較低。因此，我們假設Sb(V)的自養還原與作為電子供體的還原 S的氧化相結合可能代表了Sb尾礦中一個關鍵的微生物介導過程。在這項研究中，使用尾礦樣品構建了微字宙，利用DNA-SIPQ、擴增子測序和宏基因組學，探索了尾礦環境中具有Sb代謝潛能的功能菌。
