宏基因组学:在自然的新前沿探索微生物群
什么是宏基因组学?
洛桑研究所的研究科学家潘妮·赫希教授说:“宏基因组学是通过从整个种群中提取DNAbet188真人来研究微生物群落，而不是研究其中的单个生物。”
这项技术可以帮助发现样品中存在哪些微生物，确定它们的相对丰度，并掌握它们的生化途径。
Quadram研究所的研究负责人Mark Pallen教授说:“它以一种技术上相当直接的方式，让你对复杂微生物群落中发生的事情有了一个全面的了解。”
这是一种强大的方法，使科学家能够在具有挑战性的研究环境中探索微生物生命，包括土壤或人体肠道。
土壤宏基因组学:打开黑盒子
传统上，微生物学依赖于在实验室中分离和培养单个物种。但这使得许多生物无法接触到——因为它们在标准培养技术下太难生长了。
赫希解释说:“土壤是最好的例子，因为它是一种黑盒子，我们知道只能培养生活在其中的1%左右的生物。”
但宏基因组学现在使科学家能够非常详细地研究土壤生态系统，帮助他们分析微生物在养分循环或抑制植物病原体方面的作用。
赫希解释说:“我们需要能够了解土壤，这样我们才能更有效地管理它们——例如，我们可以优化它们释放的温室气体等物质。”
这种方法还可以帮助检测抗生素耐药性基因的潜在来源，并跟踪它们在环境中的传播。相反，它也可能为潜在的新抗生素提供丰富的新来源。
宏基因组测序的量子飞跃
宏基因组学的一个关键推动因素是大约十年前DNA测序技术的迅速而巨大的改进。
赫希解释说:“从土壤中提取DNA这样的东西是完全不可能测序的，这太复杂了。”
但随着成本的下降和通量的上升，在所需的覆盖深度进行测序变得可行——这与生物信息学的关键进展是同步发生的。
赫希说:“你需要一个大的数据库，以及与之匹配序列的能力——没有它，你就不知道东西是什么。”
还有大型合作项目，比如爬(微生物生物信息学云基础设施)也提供数据分析支持。
Pallen说:“我认为所有这些事情都是并行的——测序、生物信息学和相关基础设施的进步，都使这个问题比几年前更容易处理。”
探索微生物“暗物质”
宏基因组学为微生物群落提供了前所未有的新见解，揭示了丰富的新生物多样性。bet188真人
帕伦说:“我们发现了很多隐藏的生物学，隐藏的分类，还有许多我们甚至不知道存在的生物。”“例如，我们做了一些鸡内脏的宏基因组学我们发现的许多生物都是以前未知的物种，对科学来说是新的。”
事实上，新微生物物种的发现出现了爆炸式的增长，这导致了被称为“生命树”的生命树的扩张候选门辐射这代表了所有细菌多样性的15%以上。
帕伦说:“他们发现了几十种新的细菌门，他们发现了所有这些人们甚至不知道存在的奇怪的东西。”
进化起源
宏基因组学也在意想不到的地方发现了生物。古生菌就是一个例子，这种原始的单细胞生物被认为只生活在海洋喷口或酸性矿井等极端环境中。
赫希说:“但我们现在知道，它们存在于各地的土壤中，而且相对常见，约占整个群落的1%。它们实际上在氮循环中非常重要。”
研究古生菌的基因组也有助于探索科学界最大的问题之一生命之树中大进化谱系的起源．
赫希说:“最初古生菌看起来像细菌，但它们的DNA序列告诉我们它们非常不同——例如，比我们与树木的差异更大。”
由于这些巨大的差异，古生菌现在被归为与细菌不同的领域．关于真核生物的起源也出现了疑问，而真核生物以前被认为是起源于细菌。
帕伦说:“现在从宏基因组学研究中可以清楚地看到，许多古生菌都有被认为纯粹是真核生物的创新。”
这表明真核生物实际上是从古菌谱系进化而来的，而不是细菌。
利用宏基因组学探索人类微生物群
宏基因组学还使研究生活在我们体内和体表的数十亿微生物成为可能。
大约十年前人类微生物组计划开始对我们肠道和其他器官中的常驻微生物进行普查。其他研究人员正在研究包括鸡、猪和反刍动物在内的动物。
“在肠道微生物群中，有一份没有人能够培养的东西的清单。现在，这些微生物中的许多已经被消灭，人们正在进入下一个阶段——找出可能导致各种疾病的原因。”
肠道微生物群的变化与许多疾病有关，从炎症性肠病到糖尿病、过敏、肥胖，甚至自闭症。希望通过了解这一点，我们能够找到扭转这些变化的方法，甚至从一开始就防止人们患上这些疾病。
帕伦解释说:“有一个比较的方面，事实证明，并没有一个单一或保守的肠道微生物群，而是在健康个体之间存在着非凡的多样性——所以我们也在研究这些变异的潜在影响。”
克服散弹宏基因组学的挑战
宏基因组学依赖于下一代(或霰弹枪)测序，可以检测种群中存在哪些基因和哪些生物。但由于它只提供DNA的短片段，从单个生物体重建整个基因组仍然是一个挑战。
帕伦解释说:“这有点像玩拼图游戏，但实际上比这更糟糕，就像你把100块拼图都扔进一个盒子里，然后试图解决它们。”
但是随着的发展，希望就在地平线上长读测序技术这将使研究人员能够看到哪些基因在同一生物体中同时出现。
赫希解释说:“因此，我们认为有可能提取出非常长的序列，从而得到大块的微生物染色体，而不是拥有大量可能多达500个碱基对的短片段。”
另一个挑战是生物信息学，分析大量数据的计算时间花费巨大，而且分析的最佳方法缺乏清晰度。
赫希说:“这是一个限制，它阻碍了我们一点，不仅是处理所需的时间，还有你解释事物的方式，目前还没有对你做这件事的方式达成完全的共识，这是生物信息学家需要解决的问题。”
宏基因组学分析:发现的有力工具
宏基因组学使研究人员能够比以往任何时候都更详细地剖析生活在一系列环境中的社区。bet188真人
“在某种程度上，这是一个新的领域。它让你发现‘未知的未知’——那些你甚至没有怀疑到的东西就在那里，”帕伦说。
从迄今为止的研究来看，有一点是明确的，那就是还有很多东西有待发现——我们自认为对生物世界和生物圈的了解只是现实世界的一小部分。
“我认为这将改善我们管理某些环境的方式，无论是我们的内脏、土壤还是河流。它将帮助我们了解我们应该做什么或不应该做什么，以及我们必须小心什么，”赫希说。
