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Science: 微生物单细胞、高通量、菌株分辨率,我全都要!

首页 » 研究 » 组学 2022-06-04 墨卓生物 赞(4)
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导读
@微生态科研人,微生物单细胞时代正式开启!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。
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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。
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。一个典型的人体肠道微生物群落由数百种微生物组成。而同一物种的不同菌株(strain)的基因组也存在差异,导致它们在功能上也有所不同,进而导致它们对宿主的影响也可能明显不同。因此,只在物种水平上研究微生物而不确定其菌株,会掩盖菌株间重要的差异。目前,肠道微生物群落菌株水平的基因组图谱尚未完全阐明。虽然宏基因组学可以宽泛地调查微生物群落的基因组信息,但通常无法捕获菌株水平的变化。基于培养的方法和基于微孔板的单细胞测序可以获得菌株水平的基因组,但所获取的微生物菌株的数量十分有限。

方法概述
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。在Microbe-seq的实验过程中,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,并在每个液滴中裂解微生物并释放DNA;然后进行全基因组扩增,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;然后将所有液滴内的DNA合并,进行建库测序。用于液滴内DNA标记的标签对于每一个液滴都是独特的,因而将测序后的序列按照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。
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,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,研究团队发展了一套通用的生信分析流程。在该流程中,通过提取并比对各单细胞的基因组标志性信息(genomic signature),研究人员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。进一步的,将单个微生物的基因组和参考基因组对比,可以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,可以获取样品中多种不同物种的不同菌株的参考基因组。

Microbe-seq概览


应用
研究团队将该方法应用于一个健康个体的肠道微生物系统中,获取了21,914个单细胞微生物的基因组信息,从中组装出76个物种的基因组序列,其中有10个物种包含不同的菌株。利用这些菌株水平的基因组,研究团队构建了在该人体肠道微生物群落中的水平基因转移(HGT)网络。此外,研究团队还利用Microbe-seq探究噬菌体-宿主的相关性,发现了在该肠道微生物系统中,crAssphage噬菌体只和一个Bacteroides vulgatus菌株存在显著关联。

总结
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。该方法可同时适用于其它复杂的微生物群落,如土壤海洋中的微生物群落,因此在微生态研究中具有极大的市场应用潜力。
该文章的共同第一作者为哈佛大学化学和化学生物学系郑文山博士(现为墨卓生物CTO)和麻省理工学院生物工程系赵诗杰博士,共同通讯作者为哈佛大学工程与应用科学学院的David Weitz教授(墨卓生物联合创始人)、Peter J. Lu(陆述义)博士和麻省理工学院生物工程系的Eric J. Alm教授。

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