人类微生物组测序:打开黑匣子

近几十年来，微生物组研究领域以惊人的速度发展，越来越多的证据表明，我们的微生物群落对我们的健康有着深远的影响。bet188真人

英国诺维奇Quadram研究所的微生物组组长Lindsay Hall说:“我们有一个大致的数字，微生物组大约比人类基因组大150倍。”“所以这开始给了一个想法，它可能对我们很重要!”

测序技术的巨大进步，加上成本的大幅下降，为研究比以往任何时候都更全面地探索生活在我们身体上和体内的微生物的收集打开了大门。

霍尔解释说:“我们早就知道这些社区对我们的健康很重要，但试图掌握它们的复杂性是非bet188真人常困难的。”“但我们现在可以深入研究这些微生物，看看它们对我们的健康有什么影响。”

提高我们的知识如何组成和作用我们的微生物群会影响我们的生理机能吗为开发预防和治疗一系列疾病的新方法——如传染病、癌症、精神健康障碍和自身免疫疾病——提供了巨大的希望。

对“暗物质”进行测序

虽然微生物组研究并不新鲜，但多年来，科学家们受到了传统微生物学方法的限制。

德国斯图加特霍恩海姆大学(University of Hohenheim)营养基因组学教授W. Florian Fricke解释说:“问题在于，在标准条件下不可能培养大部分微生物群。”“所以很长一段时间，这部分被忽视了。”

但大约在十年前，新一代测序(NGS)技术的引入加速了对微生物组中这一隐藏部分的研究。

英国剑桥欧洲生物信息学研究所(EMBL-EBI)的博士后研究员Alex Almbet188真人eida解释说:“我们现在实际上可以分析微生物群落，而无需在实验室中培养它们。”“这使我们能够更深入地研究微生物群的多样性。”

研究人员主要使用两种方法 NGS方法分析微生物群 ．宏基因组学涉及对样本中所有DNA进行测序，而扩增子测序则着眼于特定的细菌“指纹”——通常是通过扩增16S rRNA基因片段并对其进行测序。

弗里克解释说:“宏基因组学更昂贵，但它能提供样品中微生物群落的非常深入、完整的图景——所以不仅是细菌，还包括病毒等其他生物。”“扩增子测序更简单、更快，可以告诉你存在哪些细菌种类及其相对丰度。”

宏基因组学产生一组短DNA片段，然后科学家试图将其拼凑成单个细菌基因组。

阿尔梅达解释说:“当你对像人类肠道这样的复杂群落进行测序时，你会从许多不同物种中得到许多不同的碎片。”“在计算方面，我们需要解开这种多样性，试图将单个生物体分开。”

但 更新的技术可以生成更长的序列 从而实现更高的分辨率和准确性。和 染色体构象捕捉技术，如Hi-C， 可以提供样本中两个碎片真实距离的线索。

阿尔梅达解释说:“如果我们知道两个DNA分子靠得更近，我们就更有可能假设它们属于同一种生物，这就改进了分析。”“这些技术使我们能够为我们可以检索的测序数据增加另一个维度。”

正在进行的挑战

NGS技术与生物信息学的结合导致了世界各地实验室对微生物组的研究激增。

Almeida说:“每个月都有成千上万的样本被测序并发布到公共领域。”“对这些数据进行持续分析并重现不同团队得出的结果的能力是该领域的一大挑战。”

为了帮助解决这个问题，阿尔梅达在EBI的团队负责 MGnify 他解释说，这是“一种免费资源，使研究人员能够以一致的方式保存和分析他们的数据。”

尽管先进测序技术的出现为更深入地探索微生物群打开了大门，但微生物群落的几个方面仍然无法进入。bet188真人

霍尔说:“我们仍然得到了很多‘未知’的序列——所以我们可能知道它是细菌，但我们不知道它是什么物种。”“增加参考数据库会有所帮助，但这需要更多的培养。”

另一个限制是，目前的方法往往导致生成的组成数据，而不是绝对的定量信息的微生物样本。

弗里克解释说:“你通常不会保留你分析的微生物群的原始数量的信息，所以最后，你只能得到未知总量的一个百分比。”“所以我们可能会发现20%是细菌X, 30%是细菌Y，但我们最终只是得到了一个相对丰富的物种目录。”

为了掌握微生物群的全部复杂性，研究人员需要开发新的方法，使他们能够揭示主要微生物群之间的定量关系。

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可重复的微生物分析依赖于稳健和无偏倚的微生物组工作流程。在从样品中提取DNA、RNA、蛋白质或活细菌之前，细胞裂解是重要的一步。使用珠子的机械裂解(打珠)被认为是溶解各种类型的细胞和微生物的金标准方法。下载本白皮书，发现一种使用3d珠子敲打技术的仪器，以达到这一高标准。

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微生物组分析取得巨大进展

尽管面临这些挑战，研究人员在建立我们对微生物组的理解方面取得了令人难以置信的进展。例如，阿尔梅达是一个团队的一员，该团队最近发表了他们的研究结果 大规模测序项目，涉及重建来自11850人的92143个宏基因组组装的肠道基因组 ．

阿尔梅达说:“我们现在有了一个更全面的人类肠道微生物群地图，我们发现了近2000种以前未知的细菌物种，大大扩展了已知的集体肠道微生物群。”

但小型化设备的发展是测序技术的最新范式转变，为研究人员开发开创性解决方案来解决现实问题提供了令人兴奋的新机会。

阿尔梅达说:“现在市面上有u盘大小的新设备。“这些技术使得在现场收集样本并实时分析成为可能，而不是将它们送回实验室。”

作为这些尖端技术在临床环境中所能提供的原理证明，霍尔的团队最近表明，快速可靠地实施宏基因组学是可能的 确定存在于早产儿粪便中可能导致生命危险的微生物 ．

霍尔解释说:“我们使用了一种测序设备和定制软件，在不到五个小时的时间内分析了数据。”“我们的方法还揭示了抗微生物药物耐药性基因的存在，这对医生选择最有效的抗生素是至关重要的信息。”

“谨慎乐观”

由于测序技术及其计算分析的巨大进步，我们对居住在人体中的微生物群落的理解在最近几十年有了很大的提高。bet188真人

“我们拥有地球上最密集的殖民生态系统，这有点令人难以置信!霍尔说。“所以了解它们是谁以及它们为我们做了什么非常重要，而这些新技术使我们能够弄清楚它们有什么或在做什么。”

利用这些信息为开发新的医疗干预手段提供了诱人的机会，可以改变我们预防或治疗许多不同疾病的方法。

阿尔梅达说:“我对微生物群的潜力感到非常、非常兴奋。”“这可能是革命性的，尽管我们必须认识到，仍有很多进展需要取得。”