美国国家微生物组计划启动:真正的新技术在哪里?

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2016年5月17日 来源:生物通

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  “国家微生物组计划”是奥巴马政府继脑计划、精确医学、抗癌“登月”之后推出的又一个重大国家科研计划,无疑为目前火热的微生物组研究又加了一把火。但这一项目想要顺利开展并不容易,微生物的数量庞大,种类繁多,要进行分析难上加难,那么真正的新技术在哪里呢?

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——美国白宫宣布启动“国家微生物组计划”,研究地球上的多种微生物菌群

生物通报道:2007年底美国NIH投入1.15亿美元启动了“人类微生物组计划”;

2012-2014年间,联邦政府对微生物组学的研究资助大增,2014财年的联邦投资是2012财年的3倍,在3年间的总投资超过9.22亿美元;

时间又来到了2016年5月13日,美国白宫宣布启动“国家微生物组计划”,计划在财政年度2016-2017间准备投入1.21亿,其中包括来自美国NIH的2000万资助,美国国家科学基金会 (NSF)1600万资助,NASA的1250万资助,美国能源部的1000万资助,以及美国农业部的2390万美元的资助。这一项目目的在于通过分析人体内外,植物和其它生态系统中微生物,更好的了解这些生物在人体和环境健康中扮演的重要角色。

“这对于该领域的研究人员来说,是一个值得庆祝的伟大日子”,科学大咖J. Craig Venter(J. Craig Venter研究所创始人)对此表示。J. Craig Venter研究所早在2004年就发表了关于马尾藻的基因组研究。目前,他的研究组已在全球收集了数千份海洋资源的样本。

相比于其它项目“紧巴巴”的资金资助,微生物组近年来可谓是“风生水起”,在奥巴马政府继脑计划、精确医学、抗癌“登月”之后推出的这一重大国家科研计划无疑为目前火热的微生物组研究又加了一把火。

这也就可以解释了为何去年上半年,汤森路透统计的最高引用的热门论文出自微生物组研究领域盘点2015上半年最热门生物类论文,而且这种研究界的这种热情也感染了公众,纽约时报都曾以头条宣告“We Are Our Bacteria”。

在这十年里,科学家们对于人体微生物的了解逐渐加深,对人体微生态的多样性和分布也认识不少了,但是我们对于微生物组如何与宿主交互,环境微生物的影响等微生物组生物学仍然知之甚少。

这也就是这一新项目启动的主要原因,目前“国家微生物组计划”有三大目标:首先,支持跨学科研究,以回答多样化生态系统中微生物组的基本问题,如什么是健康的微生物组;其次,开发检测、分析微生物组的工具,如实时检测空气、土壤、水或人体微生物的手持传感器;第三,培训更多的微生物组相关工作人员。

但这一项目想要顺利开展并不容易,首先虽然有显微成像,低成本高通量基因测序技术的发展,以及多种数据分析的生物信息学工具跃进,但是微生物的数量庞大,种类繁多,尤其是土壤,海洋和大气中的微生物群落,收集分析并不容易,一般来说在微生物组样品中,宿主DNA占了绝大部分,有时甚至高达99%。 在实际样品中,微生物组DNA往往跟我们不想测序的东西裹在一起。

那么如何很解决这些问题,微生物组学真正的新技术在哪里呢?

样品收集与保存

来自芝加哥大学的微生物生态学家 Jack Gilbert曾表示,“微生物多样化多到可怕,而且复杂。任何特殊处理都会改变其组成部分。”即使是微生物菌群最小的变化或者相对丰度改变,也会极大的干扰群体比对,因此样品收集和储存方法引起的变化越小越好。

原始样品的保真性从收集样品的那一刻就开始了。第一步需要确保的是获得的是一个均匀的样品,2015年,一组研究人员完成了一项人肠道微生物组的研究,他们将液氮粪便样品通过研钵及研杵捣碎,使之成为粉末状小样品,然后转移到试管中,−80°C储存。比较于之前的方法,这种制备样品的方法能减少微生物组成上出现的可变性。

而土壤样品具有更加复杂的组分,因此科学家们建议将土壤样品放到搅拌机中,充分搅碎颗粒物。他们也建议在初次收集样品后再进行多次等分分装,因为多次反复冻融会破坏核酸,这一点其实很多实验室研究人员都知道。比如研究人员可以采用无菌一次性活检钳(biopsy punch)从一个更大的原始样品中收集几乎相同大小的冻存粪便颗粒,然后直接将这些颗粒放入含有核酸裂解液中的提取管中。这种方法就是对原始样品进行等分,但可以为科学家们节约整整一次冻融重复循环。

此外,2014年,美国福赛思研究所、麻省综合医院(MGH)和哈佛大学公共卫生学院等处的科学家,开发出一种新的方法,收集用于基因组和转录组分析的唾液与粪便。该方法不需要专业人员和设施,同时还能保持样品的完整性。

研究人员设计了固定剂的选择和取样流程(如下图)。可让8名受试者在家里收集微生物样品,然后将其运至实验室进行多种类型的分子分析。尽管采用不同的取样方法,微生物种类、基因和基因转录组成,在所有样品中都是一致的。随后对这些样品进行的分析表明,测量的人类微生物组的功能潜力和功能活性之间存在着有趣的异同点。在这项研究中是目前为止,结合表型分类学、宏基因组学和宏转录组数据谱,进行的第一个人类微生物组研究。结果详细描述了肠道菌群基因组潜能和基因表达之间的关系,验证了在受试者收集和运输的样品中开展宏转录组研究的可行性。

对于样品的保存,低温冻存保护可能有助于样品的保存。在比较储存样品和新鲜样品中的微生物组成之前,可以采用一种快速的方法,来评估保护剂的作用,那就是检测一下样品DNA的量,如果DNA量不足,那么你采用的方法也许并不适用于这种微生物的保存。

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