【Nature子刊】识别“不可见”的微生物 ——HiFi测序技术来完成

微生物无处不在——在我们的肠道中，在我们的皮肤上，渗透到我们周围的环境中。研究这些微生物群落对疾病和良好健康提供了巨大的见解，但在样本中识别所有不同的物种可能是一个挑战。

现在，一个国际研究团队的一项研究表明，高精度、长读长的基因组测序技术(HiFi)可以为这种之前被隐藏的生物学带来曙光。

加州大学圣地亚哥分校计算机科学与工程系、美国农业部、生物技术公司Pacific Biosciences以及俄罗斯、以色列和荷兰的实验室的研究人员已经表明，HiFi结合先进的算法，可以区分几乎相同的生物，使得研究人员可以更完整全面地分类微生物群落。这项研究1月3日发表在《Nature Biotechnology》上，题为“Generating lineage-resolved, complete metagenome-assembled genomes from complex microbial communities”。

论文共同资深作者、加州大学圣地亚哥分校计算机科学Ronald R.Taylor杰出教授Pavel Pevzner说：“Pacific Biosciences开发的这种HiFi技术正在彻底改变该领域，在这里，我们提供了完整或接近完整的细菌基因组，从单个样本中区分出非常相似的细菌菌株。这可不是件小事：一些大肠杆菌菌株是无害的，另一些则是致命的。”

HiFi最近帮助测序了一个完整的人类基因组，自20年前人类基因组计划产生了一个不完整的版本以来，科学家们一直没有完成这一壮举。

这篇论文建立在这些发现的基础上，表明长读长可以为之前不可见的生物带来曙光。短读长是最常见的基因组测序技术，分析简短的DNA片段（100～300个碱基对），在组装完整基因组和区分基因组相似的微生物方面存在困难。

长读长技术，如HiFi，产生了更大的DNA片段（超过15000个碱基对），并已成为一种潜在的解决方案。随着长读长精度的提高，该技术以惊人的细节揭示了隐藏的基因组特征。在这种情况下，HiFi很容易区分仅有微小基因组变异的微生物。

前加州大学圣地亚哥分校博士后，现在是美国国家癌症研究所的Stadtman研究员，第一作者Mikhail Kolmogorov说：“我们现在可以对微生物组中几乎所有丰富的细菌进行全基因组测序。短读长研究很少提供即使是单个微生物的完整序列。”

对羊肠道的长读长测序

在这项研究中，研究团队利用HiFi长读长对羊肠道中的微生物宏基因组进行测序。他们的目标是为独特的微生物物种（宏基因组组装基因组（MAGs））创建完整的参考基因组。

他们发现HiFi和相关算法从428个物种中鉴定出基因组，完整性超过90%。其中许多是短读长技术看不到的。这些发现可能是微生物组研究人员和其他科学家的巨大福音，为充分描绘样本的微生物补体提供了新的和强大的工具。

论文共同资深作者、美国农业部肉类动物研究中心研究化学家Timothy Smith说：“像羊一样，表征反刍家畜的微生物组，可以用来开发减少疾病、环境影响和温室气体排放的方法，同时提高生产力。菌株水平的基因组分辨率将有助于追踪与抗菌剂耐药性相关的基因，并确定畜牧业可能促成人类和动物疾病中抗生素耐药性的上升程度。”

这项工作的应用相当广泛，因为在复杂样本中精确描绘特定微生物种类的能力可以为许多科学工作提供信息。

加州大学圣地亚哥分校微生物组创新中心主任、计算机科学与工程、生物工程和儿科教授，以及美国肠道项目的联合创始人，Rob Knight说：“尽管这项研究关注的是羊肠道中的微生物，但由于微生物栖息在人类、动植物身体和整个环境中的地方如此之多，因此潜力巨大。”

Knight（不是这项研究的作者）说：“有更好的方法在复杂的环境中读取基因组，为改进编写基因组奠定了基础，我们需要解决社会许多最紧迫的问题。”

这些进展在医学上应该是相当有用的，包括加州大学圣地亚哥分校突破性的噬菌体治疗(IPATH)和抗菌(CHARM)计划。微生物还可以帮助诊断癌症、破译赤潮、研究海洋中的塑料生物降解以及测量碳释放和捕获。

Pevzner说：“我们现在可以区分它们，并获得复杂细菌群落的真正宏基因组图，而不是将类似的生物组合在一起。就像已经被应用于罕见疾病诊断的完整基因组学一样，完整宏基因组学可能很快就会进入医学和许多其他学科。”（转化医学网360zhyx.com）

参考资料：

https://phys.org/news/2022-01-powerful-algorithms-invisible-microbes.html

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。