细菌|三代测序技术：让你“看清”微生物基因“骨架”

以前，相关研究依靠低通量的微生物群培养手段。但随着二代测序技术的发展，能够使我们以较高通量的方法去了解肠道微生物种。近年来，三代测序技术发展迅速，又弥补了二代测序技术的一些不足，两者相结合，为探索肠道微生物种提供了较好的方法条件。
王军中国科学院微生物研究所研究员
近10年来，肠道微生物基因组成为生命科学研究领域的热点。然而，目前大部分相关研究，仍使用主流二代测序技术进行肠道微生物种功能解析，宏基因组的拼接质量仍然有较大提高空间，且菌株水平的功能差异分析等领域亟待新的突破。
不久前，我国首部生物经济的五年规划《“十四五”生物经济发展规划》发布。该规划明确指出，加快发展高通量基因测序技术，推动以单分子测序为标志的新一代测序技术创新。而近期，三代测序技术已引发整个行业的关注，不少企业正积极布局，将其作为二代测序技术的有效补充，在针对二代测序范围外的复杂基因突变类型进行测序方面寻求新的解决方案。
有鉴于此，中国科学院微生物研究所王军研究员课题组和中国科学院动物研究所宋默识研究员课题组合作，利用三代纳米孔测序技术解析了肠道宏基因组，建立了三代和二代测序数据混合组装和后续分析流程。该研究提高了宏基因组组装的质量，以及对结构变异的发现能力，发现了大量包括插入突变和基因倒位在内的结构变异对于菌株水平上基因功能的影响，并对噬菌体等系统进行了深度挖掘，这些都是将三代纳米孔测序技术用于肠道微生物研究后取得的新进展。该研究论文近日发表在《自然·通讯》杂志上。
两代测序技术联手探索肠道微生物
人类的肠道是细菌、真菌等微生物的家园，这些微生物被统称为肠道微生物群。科学家们现在已经收集了人类肠道中4600多种细菌的20万个基因组和1.7亿个蛋白质序列，并建立了数据库。
尽管科学家长期致力于这一领域的研究，但肠道菌群中的一些微生物种类在很长时间内不为人所知。据估计，人体内含有的微生物数量比人体细胞还多。在人类肠道中已经发现了共计4600余种细菌。有研究表明，这其中超过70%的被检测到的细菌还未在实验室中培养，它们在人体内的活性仍然未知。
“在人的肠道中，尤其是在直肠里，有非常丰富的微生物，个体数量超过人体细胞的3—10倍。虽然这些微生物种的基因组较小，但由于种类很多，其基因多样性比人高10—100倍。 ”王军告诉采访人员，肠道微生物群落形成了一个非常复杂的肠道环境，对其进行研究有助于了解肠道的状态和功能，从而更好地了解人体和疾病，指导胃肠道疾病的诊断和治疗。
宋默识表示，肠道微生物在人类代谢食物、抵御感染和应答药物等过程中起着非常重要的作用。肠道维持着人体的代谢平衡，很多食物会在肠道内最终降解成小分子最终代谢物。如果肠道微生物生态系统失衡，将导致代谢功能失调，造成胃肠道疾病。同时，一些肠道免疫性疾病（如炎症性肠炎）也与肠道微生物生态系统的免疫调节相关。因此，肠道微生物群一直是科学家们最关注的议题之一。
但受研究方法的限制，相关研究一直进展较慢。
“以前，相关研究依靠低通量的微生物群培养手段。但随着二代测序技术的发展，能够使我们以较高通量的方法去了解肠道微生物种。近年来，三代测序技术发展迅速，又弥补了二代测序技术的一些不足，两者相结合，为探索肠道微生物种提供了较好的方法条件。 ”王军说。