Science:微生物单细胞时代正式开启:微生物高通



近期,哈佛大学和麻省理工学院的研究团队在微生物群落研究方法学上取得重要突破,发明了微生物高通量单细胞基因组学技术——Microbe-seq。相关成果以研究长文(Research Article)的形式于6月3日在Science上以High-throughput, single-microbe genomics with strain resolution, applied to a human gut microbiome为题发表。

Microbe-seq技术集成了多种液滴微流控操作技术和定制开发的生物信息学分析手段,不需要培养即可从复杂微生物群落中获取成千上万个单细胞微生物的基因组信息,并组装出高质量的菌株水平基因组,从而能够在不损失分辨率或广泛物种适用性的基础上探究微生物群落的基因组。该方法应用面广泛,可用于具有复杂微生物群落的样本,如粪便土壤海洋等,在微生态研究中具有极大的市场应用潜力。

研究背景:

微生物群落(microbiome)存在于各种不同的生态系统中,典型的微生物群落包括土壤、海洋或江湖等环境微生物以及人体或动物肠道微生物等。其中,人体肠道微生物(human gut microbiome)的组成和功能与人类的健康和疾病息息相关。每个个体的肠道微生物群组成都是特异的,虽然人们经常携带相似的微生物物种,但是不同个体有不同的菌株,不同菌株表现出巨大的基因组差异。菌株之间的这些基因组变异可能导致重要性状的差异,如抗生素耐药性、代谢能力以及与宿主免疫系统的相互作用,这可能对人类健康造成严重后果。

肠道微生物群落中的微生物行为不仅受特定菌株的存在影响,还与它们之间的相互作用密切相关,比如噬菌体调节细菌组成,以及微生物细胞之间遗传物质的转移。为了更好地理解这些微生物的影响,我们需要对特定微生物的基因和功能途径有详细的了解。

然而,要想阐明微生物菌株中的这些信息,可能会面临相当大的挑战。因为现有技术往往仅能在物种水平上对微生物进行分析,难以获知菌株水平上的重要差异。因此,如果能从微生物群落中解析出菌株水平的高质量基因组,那么这将极大地帮助我们理解对肠道微生物行为及其对健康的影响。

现有技术短板:

1、   目前宏基因组测序技术被广泛应用到探索复杂微生物群落,包括人类肠道微生物的组成,然而,宏基因组学通常无法解析菌株水平的基因组。

2、   基于培养的方法只能偏向于容易培养的少数微生物菌株,且成本偏高。

3、   基于微孔板的单细胞测序虽然可以产生菌株水平的基因组,但是成本等限制导致这种方法只能获得有限数量的微生物菌株。

技术和分析原理:

为了解决上述问题,哈佛大学和麻省理工学院的研究团队开发了一种微生物高通量单细胞基因组测序技术Microbe-seq,这一技术的实验原理如下:

1.       利用液滴微流控技术,研究团队将成千上万的微生物单独地包裹在液滴中;

2.       在每个液滴中,裂解微生物并释放DNA;

3.       进行全基因组扩增,将扩增出来的DNA打断并连上接头,随后在液滴中用带有特定序列的标签标记液滴内DNA;

4.       将所有液滴内的DNA合并,进行建库测序。

由于液滴内DNA标记的标签对于每一个液滴都是不同的,因而将测序后的序列按照DNA标签进行区分,即可得到每一个液滴内单个微生物的基因组信息。这些具有相同barcode的测序序列的集合即称为一个single amplified genome (SAG)。

对于复杂微生物群落,其中大多数微生物的参考基因组一般是未知的。而单个SAG涵盖的基因组信息一般在全基因组的50%以内,无法直接被用于参考基因组。这为微生物组的单细胞基因组分析带来了一个独特的难题,为了得到高质量的微生物群落的参考基因组,研究团队还发展了一套通用的生信分析流程:

1. 通过提取并比对各单细胞的基因组标志性信息(genomic signature),将样品中来自同一物种的单细胞微生物识别出来,然后合并在一起来组装出物种水平的参考基因组;

2. 进一步将单个微生物的基因组和参考基因组对比,识别来自于不同菌株的单细胞微生物并进行基因组组装。

通过这种方法,研究人员获得了样品中多种不同物种及物种中不同菌株的基因组。

Microbe-seq概览

Microbe-seq性能评估——基于模拟微生物群落样本:




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