NGS正在揭示微生物的神秘世界
研究人员正在研究微生物的基因组，以提高我们对人类健康、疾病和微生物进化的理解。
NGS正在揭示微生物的神秘世界
介绍
人体的本质远不止表面所见。它包含数万亿个不属于我们的细胞，而是属于微生物的细胞。研究人员现在发现，这些微生物在人类健康和疾病中起着至关重要的作用。然而，人体并不是微生物生存的唯一场所。它们无处不在，从字面上看：我们的内脏、家园、海洋和土壤。长期以来，微生物世界的浩瀚一直被低估。在下一代测序（NGS）的帮助下，科学家们现在正在严格研究这个巨大的微观宇宙。
这是澳大利亚生态基因组学中心（ACE）主任、昆士兰大学化学与分子生物科学学院教授、微生物基因组学公司Microba的联合创始人Philip Hugenholtz博士的研究重点。通过他在昆士兰大学的研究，他旨在揭示存在于我们体内和环境中的“微生物暗物质”。NGS使Hugenholtz博士和他的团队能够对微生物生命树进行分类。他的公司Microba通过使用NovaSeq 6000系统进行霰弹枪宏基因组测序来扩展这一努力，以快速准确地分析人们的肠道微生物组。深入的微生物基因组数据使Microba客户能够更好地了解自己的身体和健康状况，并跟踪肠道随时间的变化。尽管微生物组测试仍然是新颖的，但Hugenholtz博士认为，个性化的微生物组测试可能很快就会成为医疗保健的常规部分，并且“可能是每年进行的，就像血液测试一样。”
iCommunity与Hugenholtz博士就基因测序技术和微生物学的进展、他对微生物生命树、Microba和人类微生物组的研究以及宏基因组学研究的未来进行了交谈。
Q： 你为什么选择微生物学作为你的研究领域？
菲尔·胡根霍尔茨（PH）： 当我年轻的时候，我做了一个在显微镜下观察湖泊生物的项目。我记得当时很惊讶，我能看到所有这些生命形式在湖泊沉积物水中扭动。规模的概念对我来说非常有趣；你可以上升或下降几个数量级，那里有完全不同的宇宙。
Q： 你的研究重点是什么？
酸碱度： 我的研究集中在探索微生物群落而不必培养它们的方法上。从历史上看，大多数微生物学都依赖于在琼脂平板或液体培养基中培养微生物。这在20世纪80年代中后期受到了挑战，当时我们能够通过基因组序列来描述生物体。这是生物学的一个重大转折点。我们有一大群我们大多不知道的生物。测序使我们能够识别和理解我们正在观察的微生物，以及这些微生物的不同之处。
Q： 在过去的20年里，细菌鉴定方法和工具发生了怎样的变化？
酸碱度： 在20世纪70年代初，测序技术还处于起步阶段，这是一个巨大的挑战。研究人员针对核糖体的一个亚基16S rRNA，因为我们可以利用该序列将生物体相互联系起来。它只有1500个碱基对长。按照今天的标准，这是一个微不足道的DNA测序量。然而，在20世纪70年代，这是一项耗资巨大、耗时巨大的工程。通过对这些分子进行测序并相互比较序列，我们可以客观地确定彼此之间亲缘关系的远近。
“如果我们有一个未培养的生物体，16S rRNA告诉我们这是否是新的。如果我们对整个基因组进行测序……我们可以查看生物体的所有其他基因。它使我们能够查看途径并推断微生物的潜力。”
Q： 为什么霰弹枪宏基因组测序比16S rRNA测序更有用？
酸碱度： 利用16S rRNA，我们正在对一个基因进行测序。通过霰弹枪宏基因组学，我们正在以高分辨率对整个基因组进行测序。如果我们有一个未培养的有机体，16S rRNA告诉我们它是否新颖。如果我们对整个基因组进行测序，即使我们还没有分离出生物体，我们也可以查看该生物体的所有其他基因。它使我们能够观察途径并推断微生物的潜力。有氧运动吗？它有光合作用基因吗？它能呼吸硫吗？我们可以从生物体的遗传蓝图中推断出它的作用。我们还可以创建一个更详细的进化树。
Q： NGS技术的发展如何推进了您的研究？
酸碱度： NGS在我的研究中产生了巨大的影响。旧的测序技术价格昂贵，对正在发生的事情的了解有限。NGS使我们能够解析群落内生物体的遗传蓝图，并从更复杂的环境中获得基因组序列。我们正处于微生物学和生物学的一个惊人阶段，在那里我们可以使用测序从生态系统中获得数百个基因组。
Q： 你什么时候开始使用NGS进行高通量霰弹枪宏基因组测序的？
酸碱度： 我很幸运能成为两个率先使用霰弹枪测序研究微生物群落的实验室的一员。2001年，当我加入加州大学伯克利分校吉尔·班菲尔德博士的实验室时，我开始使用霰弹枪宏基因组学。她是一名地质学家，不是微生物学家，但她对研究微生物群落的特征很感兴趣。我们在她的实验室进行了首批霰弹枪宏基因组研究之一。这是我们首次证明可以对微生物群落进行霰弹枪测序，获取基因组，并对组成群落的成员进行代谢重建。
在Banfield博士的实验室工作了一段时间后，我在美国呆了几年。我领导了联合基因组研究所的宏基因组学项目，该研究所是位于加利福尼亚州核桃溪的美国能源部设施。这一职位为成为NGS的早期采用者提供了机会。第一个NGS系统，罗氏454系统，在一年内使我们的测序产量增加了两倍。
一年后，足球外围投注APP-买球网站推荐基因组分析仪系统问世，我们的测序产量比前一年增加了10到20倍。太神奇了。从那以后，我们一直使用足球外围投注APP-买球网站推荐 NGS系统。目前，我们在大学有一个用于研究目的的NextSeq 550系统。我们在Microba有一个NovaSeq 6000系统，它运行良好，产生了大量可靠的数据。
“NGS使我们能够解析群落内生物体的遗传蓝图，并从更复杂的环境中获得基因组序列。”
Q： 如何使用霰弹枪宏基因组测序来创建微生物生命树？
酸碱度： 我们正在使用霰弹枪宏基因组学研究整个基因组，并获得美丽的物种级分辨率。事实上，我们甚至可以获得亚种分辨率，这是一个重要的好处。
目前的生物分类方案包括许多错误。最初的分类方案是基于我们可以生长的东西，早于序列分析。许多生物按不同的形态类型分类。例如，有许多细菌被归类为 梭菌 因为它们是杆状的，可以产生孢子。然而，当你观察这些生物体的基因时，许多都是非常不同的，彼此之间没有联系。因此，存在大量的错误分类。
我在昆士兰大学的团队大部分时间都在利用全基因组数据改进微生物分类系统。我们已经提取了120个在细菌结构域内高度保守的基因，并基于它们构建了一个微生物树。该树的分辨率高于我们之前的分类系统。
Q： 是什么让你创办了Microba？
酸碱度： Gene Tyson博士和我建立了ACE，并成功地使用分子工具包来研究不同的微生物生态系统。我们意识到，我们可以使用霰弹枪宏基因组学以高分辨率进行肠道微生物组分析。当时，没有其他人在商业上做这件事，我们决定成立Microba。我们的使命是应用霰弹枪宏基因组学，为客户获得肠道微生物组的高分辨率图像。
Q： 为什么了解人体肠道微生物组很重要？
酸碱度： 我们体内的大多数微生物都在肠道中。研究表明，肠道微生物组比我们以前认为的更全面地参与我们的健康和幸福。它是人类健康的哨兵。微生物可以分解我们自己无法分解的纤维，产生短链脂肪酸，为我们的肠道细胞提供营养，帮助调节代谢过程，甚至可以影响基因表达。1-2 血清素是我们人类使用的主要神经递质之一，主要在肠道中产生和消耗，并可能受到微生物的影响。3 还有信息显示，患有慢性抑郁症的人与健康人的肠道微生物组特征不同。4
虽然有相关分析，但该领域的主要批评是因果关系分析不多。然而，他们现在上线了，有一些公认的案例证明了动物模型中的因果关系。未来几年，这项研究将更多地转移到人类身上。
“一旦我们在Microba收到样本，我们就会使用自动化过程提取DNA，并在NovaSeq 6000系统上对样本进行测序，每个样本产生5GB的数据。”
Q： NGS如何整合到您的肠道微生物组测试方案中？
酸碱度： 我们的主要产品是Insight采样套件。顾客在线注册后，会收到一个粪便取样试剂盒。粪便样本表明下肠发生了什么。它们含有高比例的微生物，因此很容易提取微生物DNA。一旦我们在Microba收到样本，我们就会使用自动化过程提取DNA，并在NovaSeq 6000系统上对样本进行测序，每个样本产生5GB的数据。
我们创建了一个参考基因组数据库，代表粪便样本中存在的大多数微生物多样性。我们将测序读数映射回这些参考基因组。数据通过我们自动化的生物信息分析管道进行处理，以使其尽可能快。解释后的信息会上传到网站，供客户登录并查看结果。
Q： 您为什么选择NovaSeq 6000系统进行霰弹枪宏基因组测序？
酸碱度： 足球外围投注APP-买球网站推荐在过去几年一直是市场领导者。NovaSeq 6000系统拥有目前最成熟的NGS技术，非常可靠。作为一家初创公司，我们需要一个可靠的平台，该平台是同类中最好的，易于扩展以增加样本数量，并具有良好的技术支持。足球外围投注APP-买球网站推荐勾选了所有这些框。
Q： Microba Insight测试的周转时间是多少？
酸碱度： 我们对样本进行批量处理，高通量NovaSeq 6000系统使我们能够在几天内对92个样本进行测序。生物信息学分析在48小时内完成。因此，一旦我们有足够的样本进行运行，我们的样本到数据的周转时间就会非常快。运出取样试剂盒并取回样品是增加过程时间的原因。
Q： 你如何将测序数据转化为消费者可以理解的报告？
酸碱度： 创建易于理解的分析报告一直是一个重大挑战，因为数据集非常丰富。我们正在与通常不是科学家的客户互动。我们创建了一个两层报告，在报告中，我们提前强调了主要结果，并使其非常简单。我们提供功能信息，并可以显示与整个客户群体相关的结果。我们可以标记非典型数据，例如特定生物体的大量或重要功能基因的减少。在文献中，有几件事与健康有关，比如产生短链脂肪酸丁酸盐的遗传潜力5 或内毒素脂多糖，6 所以我们也提供了这些数据。对于感兴趣的人，我们提供了另一个报告层，详细挖掘微生物群落结构和功能信息。客户还可以致电我们，与Microba微生物组教练交谈，教练将与他们一起查看他们的个人资料，引导他们浏览数据，并解释结果意味着什么。
我们今天能做的最多的事情就是提出饮食建议，帮助人们了解他们的饮食、肠道微生物群和健康之间可能存在的联系。未来，我们应该能够根据一个人的肠道微生物群特征提供经过临床测试的益生菌或微生物产品。
“我想，就像某些药物在具有特定遗传特征的个体中更有效地起作用一样，药物也会具有微生物组特异性。”
Q： 您认为宏基因组学研究在未来十年将走向何方？
酸碱度： 我认为一个重要的增长领域将是将你的微生物特征与你自己的基因特征相结合。我想，就像某些药物在具有特定遗传特征的个体中更有效地起作用一样，药物也会具有微生物组特异性。我相信，了解宿主和微生物组基因型接口将是个性化医疗的一个强大方面。
在测试方面，我想人们将来会通过全科医生获得他们的肠道微生物组特征。这可能是一项每年进行的测试，比如血液测试。目前，肠道微生物组检测被视为一种新奇事物，在某些方面确实如此。然而，我相信这种检测将在未来5-10年内成为主流。
Q： 你对Microba未来五年的目标是什么？
酸碱度： 我们将引入时间序列采样，以便客户可以跟踪其肠道微生物组随时间的变化。例如，如果一个人在节食，他们将能够比较不同时间点的数据，看看饮食是否会随着时间的推移改变他们的肠道微生物群。
我们专注于向国际市场扩张，降低肠道微生物组测试的价格，使其能够被更广泛的人群所接受。我们的一些客户选择允许将他们的数据用于科学研究。为了促进个性化医疗的未来并提高公司的价值，我们正在挖掘这些宏基因组数据以确定潜在的治疗方法。在未来，我们还希望开发其他重要的人类微生物群落的检测方法，如口腔和皮肤微生物群。
有兴趣阅读更多？
- 16S rRNA测序
- Shotgun宏基因组学
- 了解足球外围投注APP-买球网站推荐 NGS技术是如何用于 冠状病毒基因组特征 2020年1月24日发表在《新英格兰医学杂志》上。
工具书类
- Makki K、Deehan EC、Walter J等膳食纤维对宿主健康和疾病中肠道微生物群的影响. 宿主与微生物. 2018; 23:705—715.
- Holscher HD膳食纤维和益生元与胃肠道微生物群. 肠道微生物. 2017; 8:172—184.
- Vadder F、Grasset E、Mannerås Holm L等。 肠道微生物群通过肠道血清素网络调节成人肠道神经系统的成熟. 美国国家科学院院刊. 2018; 115:6458—6463.
- Cheung SG、Goldenthal AR、Uhlemann AC等。 肠道微生物群与抑郁症的系统评价. 精神病学前沿. 2019; 10:34.
- Laserna Mendieta EJ、Clooney AG、Carretero Gomez JF等人。 克罗恩病和溃疡性结肠炎肠道微生物合成丁酸盐遗传能力降低的决定因素. J克罗恩斯结肠炎。 2018; 12:204—216.
- Brix S、Eriksen C、Larsen JM等人。 宏基因组异质性解释了内毒素的双重免疫效应. J.过敏临床。免疫学。 2015; 135:277—280.
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