宏基因组与宏基因组学

宏基因组学诞生于上世纪90年代,是指不经过微生物培养阶段,采用直接提取环境中总DNA的方法,对微生物基因总和进行研究的一门新学科.宏基因组技术的出现,使得人们对占微生物总体99%以上不可培养微生物的研究成为现实,微生物基因的可探测空间显著增大.总的来说,目前宏基因组技术的应用主要分为两个方面:一方面是筛选功能基因,开发具有所需功能的蛋白;另一方面是通过对宏基因组文库进行分析,探讨在各种环境下微生物间相互作用和微生物与周围环境间相互影响的规律,以便我们能更加客观、全面地认识微生物世界.在宏基因组技术的应用范围被不断扩展的同时,围绕着宏基因组文库的构建和筛选、测序和分析等方面的研究已成为宏基因组学发展的主要推动力,宏基因组技术的进步将不断提升其应用价值.     

宏基因组学在胃肠道微生物研究中的应用

动物胃肠道中普遍存在大量共生微生物群,对于它们的研究一直受制于纯培养技术。随着分子生物学的快速发展及其在微生物学及生态学上的应用,针对未培养微生物研究的一门新型学科——宏基因组技术应运而生并迅速发展。通过提取胃肠道粘膜表面以及内容物中微生物DNA,构建总DNA文库的方法,利用基因组学的研究策略,来研究胃肠道中微生物遗传组成及群落功能。宏基因组技术在胃肠道微生物研究中广泛的应用,对于医学、生态学、生物能源利用等领域的研究具有重大的价值。     

微生物宏基因组数据分析方法研究进展

随着测序技术的迅速发展,人们对宏基因组的研究逐渐深入。通过宏基因组学对微生物群落的测序和分析,以理解微生物组成与环境之间的相互作用。微生物宏基因组的分析摆脱了传统研究中微生物分离培养的技术限制,并获得了微生物群落的相对丰度和群落的功能等信息。用于微生物数据分析的工具和软件较多,对于研究者选择合适的分析方法具有一定困难。概述了微生物宏基因组分析方法的流程,总结了分析中常用的工具及软件,为研究者快速筛选分析方法,揭示数据背后的生物学意义提供参考。     

宏基因组学技术在痤疮研究中的应用进展

高通量测序技术的发展提高了人们对微生物组的认识。宏基因组学技术因其全面和深入的分析功能被广泛应用于各种环境微生物组的研究中,尤其在阐明各种疾病与人体微生物组的关系中,宏基因组学技术具有重要作用。痤疮作为一种常见的皮肤疾病,严重影响人们皮肤美观度和心理健康。利用宏基因组学技术挖掘皮肤微生物与痤疮的关系,将有助于痤疮发病机理的研究和临床治疗方法的改进。通过介绍宏基因组学技术的发展背景、概述及其应用研究进展,探讨皮肤微生物与痤疮的关系,综述宏基因组学技术在痤疮研究中的应用现状,并总结目前宏基因组学技术在皮肤疾病研究中存在的问题,旨在为痤疮的宏基因组研究提供参考。     

人体肠道宏基因组生物信息分析方法

最近5年来,微生物组与人体健康之间的微妙关系已成为全球研究热点,特别是基于高通量测序的宏基因组技术推动了这个领域的发展。然而宏基因组生物信息学分析往往是开展研究过程中的难点。本文对宏基因组生物信息常规分析方法进行了介绍。     

宏基因组学在微生物活性物质筛选中的应用

采用传统分离培养筛选微生物新活性物质的方法受到很大制约,自然界99%以上的微生物不能培养,其资源开发受到很大限制。环境微生物宏基因组技术应用避开了微生物分离纯培养问题,极大拓展了微生物资源的利用空间,增加获得新活性物质的机会和途径。本文着重介绍宏基因组的概念、研究策略包括DNA提取、文库构建与筛选等及在微生物活性物质筛选中的应用,并对宏基因组研究中存在的问题进行探讨。     

宏基因组学技术在微生物功能酶开发中的应用

宏基因组学技术以特定环境样品中微生物复杂群落的基因组总和为研究对象,突破了传统微生物纯培养方法的局限,为不可培养微生物中丰富的基因资源的开发和利用提供了强有力的工具,已经取得了令人瞩目的研究进展。对宏基因组学技术及其在微生物功能酶新基因发现中的应用进行综述。     

宏基因组样本数据的分析比较与分类

宏基因组学研究试图通过测序并分析微生物群落的DNA序列,以理解环境微生物的组成及其与环境的交互作用。宏基因组学革命性地改变了微生物学,使得以免培养的方式研究复杂生物系统中的微生物群落成为可能。第二代测序技术的不断进步和生物信息学的高速发展促进了高通量宏基因组研究的发展,大批高质量的宏基因组数据不断产生并对科学界开放,宏基因组学的重要作用被科学界广泛认可。与此同时,对应个体不同健康状态和人体不同部位的大量宏基因组样本数据不断产生,使得比较和分类宏基因组样本在微生物学研究上变得更加重要,比较宏基因组学成为宏基因组学的重要分支。主要介绍了宏基因组数据的分析比较,以及样本分类的相关研究和算法。     

宏基因组方法揭示草地土壤微生物群落响应全球变化

草地在生物圈中发挥着重要的生态服务功能,而草地土壤微生物又是维持生态系统功能和稳定的关键要素之一。过去十几年间,宏基因组方法的进步为微生物群落分析提供了有力的工具。本文综述了宏基因组方法应用于草地土壤微生物群落响应全球变化的最新研究进展,特别是针对气候变化、大气组成变化、土地利用方式改变和外来物种入侵等条件下微生物群落的响应规律和反馈机制的研究。这些研究对于我们认识和了解微生物群落的生态功能十分重要,同时也对维持地球生态系统平衡具有积极的意义。最后,我们对未来应用宏基因组方法研究草地微生物群落进行了展望。     

宏基因组技术在开发未培养环境微生物基因资源中的应用

环境微生物宏基因组是一个巨大的基因资源库,但是仅有0.1%～1%的微生物在现有技术条件下是可培养的,因此致使未培养微生物基因资源的开发利用受到限制.宏基因组技术直接提取环境样品总DNA,避开了微生物分离培养的问题,极大扩展了微生物资源的利用空间,增加了获得新生物活性物质的机会.简要介绍了宏基因组的概念及宏基因组克隆技术的基本操作流程和技术要点,重点阐述了目的基因富集、核酸提取、载体和宿主系统选择、宏基因组文库筛选等"瓶颈"技术的研究进展.目的基因富集技术主要包括稳定同位素探针(SIP)、抑制消减杂交(SSH)和差异显示(DD)等.基因文库筛选分为序列依赖性筛选和非序列依赖性筛选,其中序列依赖性筛选包括特定基因PCR、反转录PCR (RT-PCR)、DNA微阵、亲和捕获等技术;非序列依赖性筛选主要指基于基因表达活性筛选和基因"陷阱"技术等.此外,介绍了一些近年来通过构建宏基因组文库筛选目的基因的应用实例.     

病毒宏基因组学研究进展

病毒宏基因组学是一种新的病毒组学研究手段,随着高通量测序技术的飞速发展,人们能够从环境中快速发现、鉴定病毒基因组的组成并研究其特征。在过去的十年里,研究者们运用病毒宏基因组学发现了许多新型病毒,增强了人们对不同环境中病毒组成、分布和多样性的了解。因此,病毒宏基因组学已成为清晰描绘各种特殊环境中病毒图谱、了解自然界中病毒分布动态的有效工具。本文主要从病毒宏基因组的概念、样品前处理和病毒总基因组提取方法、测序技术以及病毒宏基因组的应用和发展前景方面进行概述。     

宏基因组学在人和动物胃肠道微生物研究中的应用进展

人和动物胃肠道存在大量微生物群落,这些微生物是与宿主长期共同进化的结果,并且同宿主的健康和疾病密切相关,因此胃肠道微生物研究已成为当今的热点研究领域。宏基因组学技术在这一领域的应用,使我们不仅能够对胃肠道微生物群落结构及多样性进行分析,还能进一步深入了解其代谢功能,开发和利用潜在的微生物及其基因资源。文中结合我们的研究工作,综述了宏基因组学在人和动物胃肠道微生物研究中的应用,同时着重介绍宏基因组研究的生物信息学技术。     

宏基因组学及其在口腔微生物研究中的应用

宏基因组是指环境中所有微生物的遗传物质总和。宏基因组学技术可以最大限度地利用环境中的微生物资源,受到了国内外微生物研究者的重点关注。口腔中寄居着大量的微生物群落,以往对口腔疾病微生物的研究大多局限于单纯的细菌培养技术,然而,由于培养技术的局限性,部分微生物很难或根本不能培养,宏基因组学技术打破了这一局限性,帮助人类发掘更丰富的口腔微生物资源。最近,以宏基因组学测序为基础的研究描绘出了口腔生态系统的图谱,越来越多的实验证明口腔微生物组在各种口腔疾病甚至全身系统性疾病中的重要作用。同时,这也为基于人类微生物组的诊断和治疗开辟了新的途径。本综述旨在说明宏基因组学是研究人类口腔疾病及全身疾病相关微生物的得力工具,而且具有广阔的发展前景,同时也讨论了宏基因组学在应用中有待克服的局限性。     

Metagenomic applications in environmental monitoring and bioremediation

With the rapid advances in sequencing technology, the cost of sequencing has dramatically dropped and the scale of sequencing projects has increased accordingly. This has provided the opportunity for the routine use of sequencing techniques in the monitoring of environmental microbes. While metagenomic applications have been routinely applied to better understand the ecology and diversity of microbes, their use in environmental monitoring and bioremediation is increasingly common. In this review we seek to provide an overview of some of the metagenomic techniques used in environmental systems biology, addressing their application and limitation. We will also provide several recent examples of the application of metagenomics to bioremediation. We discuss examples where microbial communities have been used to predict the presence and extent of contamination, examples of how metagenomics can be used to characterize the process of natural attenuation by unculturable microbes, as well as examples detailing the use of metagenomics to understand the impact of biostimulation on microbial communities.     

基于功能基因的微生物碳循环分子生态学研究进展

碳循环是生态系统中重要的生物地球化学元素循环之一。微生物参与碳固定、甲烷代谢、碳降解等多个重要的碳循环过程,深入了解微生物群落在碳循环过程中的功能和作用,有助于获悉微生物对全球气候变化的响应、适应和反馈机制,这也是微生物生态学研究的关键问题之一。传统的研究多集中于微生物分离培养技术,无法覆盖绝大部分未培养微生物,并且无法深入解析碳循环过程中微生物群落的结构和功能,宏基因组学技术的出现克服了这些缺陷,成为研究微生物群落结构和功能的有效手段。本文对目前宏基因组学的主要技术——定量PCR、DNA分子指纹图谱、基因芯片、克隆文库和高通量测序等技术进行了简要介绍,着重介绍了参与碳固定、甲烷生成和氧化、碳降解等主要碳循环过程的关键功能基因的研究现状,最后对碳循环过程中微生物宏基因组学研究的未来发展进行了总结与展望。     

肠道微生物功能宏基因组学与代谢组学关联分析方法研究进展

近年来基于高通量基因测序的微生物组学研究极大加深了人们对微生物与健康和疾病关系的认识。然而基因测序方法不能直接测定微生物的功能活性,难以鉴定微生物中的关键功能分子,单独使用无法回答肠道微生物何种成员通过何种方式影响宿主等关键科学问题。单一组学研究弊端尽显,多组学联用势在必行。肠道微生物代谢组学以微生物群落所有小分子代谢物为研究对象,可发现肠道微生物随宿主病理生理变化的关键代谢物,为微生物组-宿主互作机制研究提供线索,成为微生物组学研究的重要补充。肠道微生物功能基因组学与代谢组学关联分析在宿主生理、疾病病理、药物药理等方面取得众多进展,展现良好应用前景。然而目前肠道微生物功能基因组学与代谢组学关联分析存在方法滥用、相关性结论与生物学知识相悖等突出问题。为帮助正确应用肠道微生物功能宏基因组学与代谢组学关联分析,本文综述了各种多组学数据整合分析方法的原理、优缺点与适用范围,并给出了应用建议。     

A Delphi Technology Foresight Study: Mapping Social Construction of Scientific Evidence on Metagenomics Tests for Water Safety

Access to clean water is a grand challenge in the 21^st century. Water safety testing for pathogens currently depends on surrogate measures such as fecal indicator bacteria (e.g., E. coli). Metagenomics concerns high-throughput, culture-independent, unbiased shotgun sequencing of DNA from environmental samples that might transform water safety by detecting waterborne pathogens directly instead of their surrogates. Yet emerging innovations such as metagenomics are often fiercely contested. Innovations are subject to shaping/construction not only by technology but also social systems/values in which they are embedded, such as experts’ attitudes towards new scientific evidence. We conducted a classic three-round Delphi survey, comprised of 107 questions. A multidisciplinary expert panel (n = 24) representing the continuum of discovery scientists and policymakers evaluated the emergence of metagenomics tests. To the best of our knowledge, we report here the first Delphi foresight study of experts’ attitudes on (1) the top 10 priority evidentiary criteria for adoption of metagenomics tests for water safety, (2) the specific issues critical to governance of metagenomics innovation trajectory where there is consensus or dissensus among experts, (3) the anticipated time lapse from discovery to practice of metagenomics tests, and (4) the role and timing of public engagement in development of metagenomics tests. The ability of a test to distinguish between harmful and benign waterborne organisms, analytical/clinical sensitivity, and reproducibility were the top three evidentiary criteria for adoption of metagenomics. Experts agree that metagenomic testing will provide novel information but there is dissensus on whether metagenomics will replace the current water safety testing methods or impact the public health end points (e.g., reduction in boil water advisories). Interestingly, experts view the publics relevant in a “downstream capacity” for adoption of metagenomics rather than a co-productionist role at the “upstream” scientific design stage of metagenomics tests. In summary, these findings offer strategic foresight to govern metagenomics innovations symmetrically: by identifying areas where acceleration (e.g., consensus areas) and deceleration/reconsideration (e.g., dissensus areas) of the innovation trajectory might be warranted. Additionally, we show how scientific evidence is subject to potential social construction by experts’ value systems and the need for greater upstream public engagement on metagenomics innovations.     

宏基因组学在未培养微生物研究中的应用

自然环境中约99%的微生物不能用传统的分离培养方法获得其纯培养。随着宏基因组技术的出现,人们可以对这一庞大的未知世界进行多方面的研究,包括微生物的生理、生态及其基因功能等。利用这一技术,研究者已经对地球上的许多生境进行了研究,并取得了很多新的成就。简要概述这一技术在研究未培养微生物方面的应用。