肠道微生物菌株资源库的构建与应用开发

肠道微生物组在组成和功能上都具有极高的复杂性,大量基于免培养的微生物组学研究表明肠道菌群失调与多种疾病都存在密切关联,肠道菌群的稳态与宿主健康密切相关已是共识。同时,越来越多的研究者认识到,可培养微生物菌株资源是肠道微生物组研究从关联分析向功能验证、机理解析和应用开发方向深入发展的基础和保障。本文主要对近年来完成的一些具有代表性的人肠道微生物大规模分离培养和菌株资源库构建工作,进行整理,总结回顾肠道微生物分离培养技术和方法的进展;并通过几个有代表性的基于可培养微生物菌株资源开展的肠道微生物数据挖掘、宿主–微生物互作机理研究和应用开发的成果,展示肠道微生物菌株资源库的应用价值和开发潜力。     

人体微生物“暗物质”：勘探、培养及应用

微生物广泛存在于自然界,其代谢活动对环境和人类健康有重要影响。定植于人体表面和内部的微生物无论从细胞还是基因数量上都远超人体,而90%以上的微生物是未培养的,这严重限制了对人体共生微生物功能的研究。因此,鉴定和分离未知或以前无法培养的微生物的必要性是显而易见的。随着各种技术的进步,可培养的微生物数量不断增加,但仍存在不足。本文论述了利用基因组测序探索微生物“暗物质”的效果,以及分离培养未培养微生物和对其进行开发利用的重要性;综述了当前有效的微生物鉴定和培养技术,如基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）、基因组信息抗体工程等;阐述了微生物与人体健康的相互作用,揭示了人体微生物“暗物质”的潜力,对人体微生物“暗物质”未来的研究和发展进行了讨论。     

微生物暗物质分离培养——以CPR和DPANN类群为例

候选门级辐射类群(candidate phyla radiation, CPR)细菌和DPANN超门古菌是重要的微生物暗物质，约占地球细菌和古菌多样性的一半。目前对于CPR和DPANN的研究处于起步阶段，仅获得了少数的实验室培养菌株，代表着丰富的菌种资源和基因资源的潜力；同时其生态功能还未知，预示着未来新发现的巨大机遇。本文在总结现有微生物分离培养方法以及CPR和DPANN菌株共性特征的基础上，对已实现实验室培养的CPR和DPANN菌株进行归纳和分析，提出该类群菌株分离培养的几点建议，以期为今后对该类群菌株的分离培养提供参考。CPR细菌和DPANN古菌的可培养研究有助于加深对该类群菌的认识，阐明其生活方式、进化及演变规律并揭示其独特的代谢途径及功能基因，发现新的天然活性产物，具有重要的科学意义及应用价值。     

未/难培养微生物可培养策略研究：机遇与挑战

微生物分布广泛、种类众多、功能多样,虽体积微小但功能强大,关乎人类的安全健康和生态的稳定发展,在整个地球生命系统中起着举足轻重的作用。17世纪以来,研究者们一直努力获得、了解和利用这些微生物,然而目前分离方法的局限性使得环境中绝大部分微生物仍不能被纯培养,严重阻碍了我们对微生物生命活动规律的认知。因此,如何分离获得这些仍未被培养出来的“暗物质”是微生物研究面临的严峻挑战和重大机遇。本文分析了环境中制约微生物分离培养的因素,综述未/难培养微生物可培养研究的最新进展,着重论述优化的传统培养方法及网络导向培养、膜扩散培养、微流控分选培养和细胞分选培养等新型技术的应用,并对未来研究进行展望,探索多技术联合使用策略,为未/难微生物资源的挖掘及开发利用提供借鉴。     

利用培养组学技术分离培养肺部微生物群研究

【目的】使用培养组学技术分离培养肺部微生物群,初步了解人体肺部可培养细菌的组成特点,建立呼吸道微生物菌库,为以后进行重点菌株的功能研究提供菌株条件。【方法】针对6个临床肺泡灌洗液样本,使用补充不同添加剂的血培养瓶对样本进行预增菌,在预增菌不同的时间点对血培养瓶内细菌进行分离培养和保藏,使用MALDI-TOF质谱和16SrRNA基因测序鉴定分离菌株。【结果】共获得101种已鉴定细菌,6株潜在新菌,2株真菌。其中细菌包括5个门、14个纲、24个目、35个科和45个属。预增菌前期的时间点分离菌种数较多,厌氧环境分离菌种多于需氧条件,在预增菌时添加羊血和瘤胃液起到良好的分离效果,本实验分离的肺部微生物群与人体其他部位(尤其是肠道)有很大的交叉。【结论】利用培养组学技术可以实现对肺部微生物群的分离培养,继续探索对肺部微生物群培养的优化方法具有现实意义。     

微生物单细胞分离方法研究进展

自然界中大多数微生物处于未培养状态,被称为“微生物暗物质”。随着微生物单细胞分离方法的不断更新,利用新技术、新方法应对微生物纯培养的挑战获得了重要进展,这些新的分离及培养策略对推动微生物资源学的发展具有重要意义。尽管宏基因组学和基因组学数据相关成果日益增多,但微生物单细胞的分离与培养对于系统研究微生物的生态功能、遗传进化等仍至关重要。本文主要概述了目前使用的或正在研发的膜扩散培养法、微流控分选、荧光激活细胞分选、单细胞拉曼分选、光镊技术、显微操作技术等单细胞分离技术的原理与应用,及其在微生物单细胞分离和培养方面的优点与不足,同时展望了这些单细胞分离技术未来的发展和应用前景。     

单细胞分选技术在微生物分离与培养中的应用与展望

自然界相当多的微生物是未培养的,对这些"微生物界暗物质"进行研究,对于研究微生物的进化过程,充分利用微生物资源具有重要意义。对未培养微生物的分离与培养已成为当前国际研究热点,本文对显微操作、荧光活化分选、微流控分选、光镊技术、激光诱导向前转移等可用于微生物分离与培养的技术原理、发展历程进行简单介绍,对比分析了每种分选技术的优点与不足,重点阐述了激光诱导向前转移技术应用于微生物分离的技术优势,并进一步对未来应用于未培养微生物的研究进行了初步展望。     

连续流生物反应器技术在微生物培养中的应用

自然环境中99%微生物在实验室条件下仍是不能被培养的,称之为"未培养"微生物或微生物"暗物质"。对其进行研究不仅有助于认识环境中微生物代谢多样性,丰富生命之树,同时未培养微生物还蕴含着巨大的新基因和新天然产物资源。但传统培养技术的局限性阻碍了"未培养"微生物资源的开发和利用。虽然随着分子生物学技术的发展,可以直接从环境中获得未培养微生物的遗传信息,分析微生物的广泛代谢多样性,但微生物的生理特征和代谢产物等分析仍然需要建立在研究纯菌株的基础上。目前,已经有很多新颖的培养技术被研发,如原位培养技术、共培养技术和连续流生物反应器培养技术等用于挖掘未培养微生物资源。本文主要介绍了连续流生物反应器培养新技术的发展与改进,探讨了"未培养"微生物培养技术及设备的发展方向,以进一步促进"未培养"微生物资源的开发与利用。     

未培养微生物研究策略概述

基于未培养微生物数量巨大、种类繁多、基因资源丰富等特点。扼要介绍了未培养微生物的纯培养分离策略和分子生物学研究方法。随着新型培养策略如原位仿生境培养、限制性培养、单细胞微操作等的出现,使未培养微生物的纯培养成为可能。同时由于宏基因组学和高通量DNA测序等现代分子生物学方法技术的逐渐成熟,使来源于未培养微生物的新基因和新活性物质的分离筛选出现了新的机遇与挑战。     

口腔未培养微生物分离培养策略的研究进展

口腔微生物是人体微生物组的重要组成部分,其群落组成丰富且独特。现有研究显示,口腔微生物与龋病、牙周炎等口腔健康问题有直接的联系,因而具有重要的研究价值。随着高通量测序技术的发展,人们对口腔中未培养微生物多样性的认识不断加深,这进一步催生对微生物分离培养技术需求的增加。为此,本文将围绕口腔未培养微生物及其分离培养策略的研究进展,首先介绍口腔中未培养微生物的研究现状;其次分析口腔微生物分离培养中可能的限制因素;最后综述微生物分离培养技术发展及其在口腔未培养微生物研究中的应用。全文旨在为口腔未培养微生物的分离培养提供思路和技术参考。     

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。     

肠道微生物资源库的构建：进展、方法和展望

基于肠道微生物组的活体药物(live biotherapeutics, LBPs)开发、菌株与宿主互作的分子机制研究及新型抗菌肽、酶、代谢途径的挖掘使得肠道微生物资源库的构建成为必然。本文对近年来国内外不同研究团队肠道微生物资源库构建进行系统比较,分析了不同构建方法间的差异,以期为国内外不同研究者在构建和丰富现有肠道微生物资源库方面提供帮助。目前,肠道微生物资源库共有1 000多种肠道细菌,分属于12个门、22个纲、39个目、96个科和358个属,厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidota)、放线菌门(Actinomycetota)菌株最多。测序结果显示人肠道细菌物种丰富度在2 000左右,因此目前分离到的菌株远未达到饱和。在构建方法上,一般对粪便样本进行或不进行乙醇处理,使用非选择性培养基(以Gifu厌氧培养基为代表)进行涂布分离培养,最后进行纯化培养。使用较为简单的培养方法即可培养得到多数常见的重要肠道微生物类目,如双歧-乳杆菌属(Lactobacillus-bifidobacteria)菌株、阿克曼氏菌(Akkermansia muciniphila)、普拉梭菌(Faecalibacterium prausnitzii)、普雷沃氏菌属(Prevotella)及S24-7科菌株等。为满足功能研究和产品开发的需要,肠道微生物菌种资源库的样本来源应该进一步覆盖更多地域和生活习惯、疾病及健康状态具有显著差异的人群,从而进一步丰富肠道关键物种的菌株多样性。     

提高微生物可培养性的方法和措施

目前自然界中只有极少部分微生物能够得到培养,严重阻碍了对微生物生命活动规律的研究和微生物资源的开发。改进传统培养方法,采用新型培养技术,提高微生物可培养性,大量培养自然界中存在的微生物,从而更全面、准确地了解微生物细胞的生命规律、获悉微生物群落中各种微生物之间的动态相互作用和相互协调的规律,对环境微生物工艺进行准确地设计、精细地调控和高效地利用。简要介绍了微生物不可培养的原因,系统总结了有关提高微生物可培养性方法的最新研究进展,提出研究中存在的问题,并阐述了模拟自然环境条件、强调微生物相互关系是提高微生物可培养性的关键。     

土壤动物肠道微生物多样性研究进展

随着分子生物学技术方法的快速发展,动物肠道微生物已成为医学、动物生理学与微生物生态学等研究领域热点。土壤动物种类繁多,分布广泛,其作为陆地生态系统重要组分,是驱动生态系统功能的关键因子。土壤动物体内的微生物由于与宿主长期共存,在与宿主协同进化中形成了丰富多样的群落结构,能够影响土壤动物本身的健康,进而介导土壤动物生态功能的实现。近些年,土壤动物肠道微生物工作方兴未艾,日渐得到重视。总结了四个部分内容：1)首先总结了土壤动物肠道微生物多样性领域的研究现状,该领域年发文量逐年增长,且近十年增长快速。土壤模式生物肠道微生物多样性研究较多且更为深入。土壤动物肠道微生物多样性组成与驱动机制、共存机制及群落构建的理论研究是该领域前沿;2)进而展示了土壤动物肠道微生物多样性组成和研究方法,土壤动物肠道菌群组成以变形菌门、厚壁菌门、放线菌门和拟杆菌门为主。早期工作基于传统分离培养,近年来新一代测序技术推动了该领域发展;3)接着关注了土壤动物肠道微生物的生态学功能,总体上体现在肠道微生物能帮助宿主分解食物基质、参与营养利用、影响寿命和繁殖及提高宿主免疫能力,且其能够影响土壤动物的气体排放及介导其对生态系...     

油藏微生物群落研究的方法学

油藏微生物群落的解析和认知是开发和应用微生物采油技术的基础。利用各种提高油藏微生物可培养性的方法和非培养技术解析不同油藏微生物的群落结构、功能和多样性,对定向调控油藏微生物群落、开发和应用有效微生物驱油技术具有重要的指导意义。通过调查新近发展的提高微生物可培养性的方法和措施以及不依赖于培养的分子微生物生态学技术,总结了油藏微生物群落研究方法学的最新进展。提高微生物可培养性的方法和措施主要通过模拟微生物的生存环境,减少富营养的毒害作用、添加信号分子维持微生物细胞间的作用和提供新型电子供体和受体等手段采用稀释法、高通量培养法等方法得以实现;不依赖于培养的分子微生物生态学技术主要包括荧光原位杂交、末端限制性片断长度多态性分析、变性梯度凝胶电泳和构建克隆文库等技术。这些方法学的进展为更有效的获得各种油藏微生物资源、调控油藏微生物群落以提高石油采收率提供理论指导。     

深海微生物资源研究开发技术进展

深海微生物由于生存环境的特殊性而具有各种与陆地和浅海微生物不同的功能,这些特殊功能具有重要的应用价值,是争夺激烈的深海热点资源之一。近年来,不断有新的研究技术和方法得到应用,推动了深海微生物资源的获取、研究和开发。对深海微生物菌株和基因资源研究开发方面的技术发展以及工作策略进行了综述与讨论。     

Catching a glimpse of the bacterial gut community of companion animals: a canine and feline perspective

Dogs and cats have gained a special position in human society by becoming our principal companion animals. In this context, efforts to ensure their health and welfare have increased exponentially, with in recent times a growing interest in assessing the impact of the gut microbiota on canine and feline health. Recent technological advances have generated new tools to not only examine the intestinal microbial composition of dogs and cats, but also to scrutinize the genetic repertoire and associated metabolic functions of this microbial community. The application of high-throughput sequencing techniques to canine and feline faecal samples revealed similarities in their bacterial composition, with Fusobacteria, Firmicutes and Bacteroidetes as the most prevalent and abundant phyla, followed by Proteobacteria and Actinobacteria. Although key bacterial members were consistently present in their gut microbiota, the taxonomic composition and the metabolic repertoire of the intestinal microbial population may be influenced by several factors, including diet, age and anthropogenic aspects, as well as intestinal dysbiosis. The current review aims to provide a comprehensive overview of the multitude of factors which play a role in the modulation of the canine and feline gut microbiota and that of their human owners with whom they share the same environment.     

宿主遗传因素对肠道菌群的影响

随着高通量测序技术的发展,人们逐渐认识到肠道菌群与人类的健康和疾病密切相关,并发现肠道菌群受很多因素的影响。除了研究传统饮食和药物对肠道菌群的改变外,近年来,科学家也开始注重遗传因素在塑造肠道菌群中的作用。遗传因素可决定宿主的饮食偏好、肠道的生理结构、肠道屏障功能和免疫功能等,而这些都直接与肠道菌群相互作用,参与肠道微生态平衡的构建和稳定。因此,在研究肠道菌群与疾病发生相关性的过程中也需要考虑遗传因素的重要性。随着基因敲除、无菌小鼠和菌群移植等实验技术的革新,以及主成分分析、数量性状基因座和全基因组关联性分析等大数据分析手段的提高,科学家能够深入研究宿主遗传基因与肠道菌群之间的关联性,从而证明宿主遗传基因在塑造肠道微生态的过程中具有重要作用。本文将首先简述肠道菌群与疾病发生之间可能存在的联系,然后从多方面综述遗传因素对肠道菌群的影响及主要的研究进展,从而为今后该领域的深入研究提供重要的指导,也为今后预防和治疗疾病提供新思路和新方法。     

Cultivable bacterial diversity from the human colon

Knowledge of the composition of the colonic microbiota is important for our understanding of how the balance of these microbes is influenced by diet and the environment, and which bacterial groups are important in maintaining gut health or promoting disease. Molecular methodologies have advanced our understanding of the composition and diversity of the colonic microbiota. Importantly, however, it is the continued isolation of bacterial representatives of key groups that offers the best opportunity to conduct detailed metabolic and functional studies. This also permits bacterial genome sequencing which will accelerate the linkage to functionality. Obtaining new human colonic bacterial isolates can be challenging, because most of these are strict anaerobes and many have rather exact nutritional and physical requirements. Despite this many new species are being isolated and described that occupy distinct niches in the colonic microbial community. This review focuses on these under-studied yet important gut anaerobes.     

Differential Effects of Antibiotic Therapy on the Structure and Function of Human Gut Microbiota

The human intestinal microbiota performs many essential functions for the host. Antimicrobial agents, such as antibiotics (AB), are also known to disturb microbial community equilibrium, thereby having an impact on human physiology. While an increasing number of studies investigate the effects of AB usage on changes in human gut microbiota biodiversity, its functional effects are still poorly understood. We performed a follow-up study to explore the effect of ABs with different modes of action on human gut microbiota composition and function. Four individuals were treated with different antibiotics and samples were taken before, during and after the AB course for all of them. Changes in the total and in the active (growing) microbiota as well as the functional changes were addressed by 16S rRNA gene and metagenomic 454-based pyrosequencing approaches. We have found that the class of antibiotic, particularly its antimicrobial effect and mode of action, played an important role in modulating the gut microbiota composition and function. Furthermore, analysis of the resistome suggested that oscillatory dynamics are not only due to antibiotic-target resistance, but also to fluctuations in the surviving bacterial community. Our results indicated that the effect of AB on the human gut microbiota relates to the interaction of several factors, principally the properties of the antimicrobial agent, and the structure, functions and resistance genes of the microbial community.