1个基因组仅需10美元的大规模细菌测序方法

一个世界范围的科学家联盟开发了一种高效、廉价的大规模细菌基因组测序方法，这可能使低收入和中等收入国家的研究人员拥有廉价和可获得的方法来对主要的细菌病原体集合进行测序。这组科学家建议，新报告的方法可以应用于大量细菌病原体的收集，并有助于加强全球研究合作，以应对未来的流行病。

由厄勒姆研究所和利物浦大学领导的一个全球科学家联盟，已经开发出一种高效的，大规模细菌基因组测序的廉价方法，可以使低收入和中等收入国家(LMICs)的研究人员拥有对大量细菌病原体进行测序的廉价和可获得的方法——每个基因组的成本不到10美元。

这组科学家认为，在全球冠状病毒基因组监测受到关注的时候，各国通过低成本和快速全基因组测序(WGS)作出贡献的能力变得越来越重要。新报告的方法可以应用于大量细菌病原体的收集，并有助于加强全球研究合作，以应对未来的大流行。

“自第一个细菌基因组测序以来，已经有26年了，现在可以大规模地对细菌分离株进行测序了，”厄尔汉姆研究所所长尼尔·霍尔博士说。“然而，低收入和中等收入国家的科学家获得这种改变游戏规则的技术仍然受到限制。病原体基因组分析领域‘民主化’的需要促使我们开发了一种新的策略，与许多面临经济挑战的国家的合作者一起对数千种细菌分离株进行测序。”

该团队在《Genome Biology》杂志上发表了一篇题为《An accessible, efficient and global approach for the large-scale sequencing of bacterial genomes》的论文。

作者说，在过去的十年中，WGS彻底改变了我们对微生物疾病的认识。WGS数据可用于监测、功能基因组学和探索病原体进化，促使公共卫生和研究科学家采用基于基因组的方法。“认识到WGS数据为监测、功能基因组学和人口动态提供的巨大优势，公共卫生界和研究界都采用了基于基因组的方法，”该团队说。

这组作者继续说，对人类基因组测序的需求已经将测序试剂的成本降低到每个样本1000美元以下。然而，尽管近年来对关键病原体的基因组序列收集的需求大幅增长，但对数千种微生物的基因组序列测序仍然很昂贵——“……主要是因为与样本运输和文库建设相关的成本，”科学家们评论说。直到最近，大规模的细菌基因组项目还只能在世界各地的少数几个测序中心进行。研究人员的目标是让全世界的实验室都能使用这种技术。

这项大规模的基因组测序计划由全球10,000个沙门氏菌基因组研究联盟(10KSG)牵头，重点研究肠道沙门氏菌，这是一种具有全球意义的病原体，可导致感染和致命疾病。10KSG联盟的合作者来自16个国家的25个机构和研究和参考实验室。Hall说:“有限的资金资源使我们设计了一种基因组方法，确保准确的样本跟踪和捕获单个细菌分离物的全面元数据，同时将该联盟的成本保持在最低水平。该管道简化了从中低收入国家大规模收集和测序样本的工作。”正如作者继续说的那样，“一个关键的驱动因素是组装一套尽可能信息丰富和可靠的基因组数据。”

作者指出，非伤寒沙门氏菌(NTS)已广泛与人类的小肠结肠炎有关，这是一种与食品生产工业化有关的人畜共患病。由于人类小肠结肠炎病例的规模和对食品安全的担忧，沙门氏菌的基因组序列比其他任何属都要多。

作者在他们的报告中继续写道:“近年来，NTS血清型伤寒和肠炎的新谱系已被认为是侵入性血流感染(iNTS疾病)的常见原因，每年导致全球约77000人死亡。由于iNTS疾病造成的大约80%的死亡发生在撒哈拉以南非洲，iNTS疾病在那里已经成为流行疾病。”由于基因降解，改变的原噬菌体库和新的耐多药质粒，可以通过基因组学鉴定负责血液感染的新沙门氏菌谱系。正如该小组报告的那样，我们认为有必要简化和扩大对来自非洲和世界其他地区的沙门氏菌的基于基因组的监测，包括与人类侵入性疾病和肠胃炎有关的分离株，并扩大到来自动物和环境的细菌。”

10KSG的目标是让中低收入国家更容易获得基因组数据。这一点尤其重要，因为在撒哈拉以南非洲，沙门氏菌导致的死亡率异常高。科学家需要了解大量此类细菌菌株的基因组成。正如这组科学家指出的那样，“低收入和中等收入国家的科研人员面临的最重大挑战之一是通过科学合作简化监测工作。由于种种原因，与严重细菌疾病负担最大相关的区域无法充分利用WGS技术，不得不依赖昂贵和官僚的样品运输和测序程序。这妨碍了在中低收入国家为公共卫生和监测而采用大规模基因组测序和细菌病原体分析。

霍尔评论说:“到2021年，公开可获得的已测序沙门氏菌基因组数量达到35万个，可以从几个在线存储库获得。然而，在中低收入国家对沙门氏菌感染进行了有限的基于基因组的监测，现有的数据集不能准确地代表目前在世界各地造成疾病的沙门氏菌病原体。”该研究的合著者、利物浦大学微生物发病机理教授Jay Hinton博士进一步指出:“中低收入国家公共卫生研究人员面临的最重大挑战之一是获得最先进的技术。由于后勤和经济方面的综合原因，与严重细菌疾病负担最大相关的区域并未从广泛提供WGS中受益。10,000个沙门氏菌基因组项目就是为了开始解决这种不平等。”

这一新报道的方法旨在简化细菌的大规模采集和基因组测序，研究人员在不到一年的时间里收集了来自中低收入国家的超过10400个临床和环境细菌分离株的遗传材料。事实上，10KSG的成员提供了来自51个中低收入和中等收入国家和地区的10419个分离菌，涵盖了7个细菌属:不动杆菌属、肠杆菌属、克雷伯氏菌属、假单胞菌属、志贺氏菌属和葡萄球菌属，协调了样本的收集和将在英国进行测序的材料的运输。

由利物普大学团队开发的样本物流管道，通过将热灭活的细菌分离物作为“热裂解物”在世界各地的环境条件下运送到英国，随后在美国厄勒姆研究所使用独特的Lite协议进行低成本的测序。用于快速基因组测序的低输入自动化方法。研究人员说：“我们方法的一个关键方面是让精通多种语言的研究人员参与与合作者的通信，以最大限度地通过电子邮件进行清晰、持续的交流。”

总的来说，基因文库的构建和DNA测序生物信息分析的完成，每个基因组的总试剂成本不到10美元(约7.50英镑)。研究报告的合著者、利物浦大学博士后研究员布兰卡·佩雷斯·塞普尔韦达博士(Blanca Perez Sepulveda)领导了全球样本收集、优化和分析工作，她补充说:“采用大规模基因组测序和细菌病原体分析将为中低收入国家的公共卫生和监测提供巨大的资产。在这里，我们已经建立了一个高效且相对廉价的管道，用于在全球范围内收集和测序细菌基因组。”

作者写道:“我们已经建立了一个在全球范围内收集和测序细菌基因组的高效且相对廉价的管道。我们的新方法允许大量细菌病原体的运输和全基因组测序，通过结合使用热裂解液和DNA提取和测序，使用创新的LITE管道进行文库建设。通过全球研究合作，我们对这种方法与模式生物肠道沙门氏菌进行了评估，产生了6117个高质量的沙门氏菌基因组，这些基因组已经被用于许多已发表的研究。”

厄勒姆研究所博士后科学家Darren Heavens博士开发了全基因组测序管道，他进一步指出:“我们认为有必要简化和扩大对来自非洲和世界其他地区的沙门氏菌的基因组监测，包括与人类侵入性疾病和肠胃炎相关的分离株，并延伸到来自动物和环境的细菌。我们的管道是一种具有成本效益和强大功能的工具，可从LMI国家获得细菌基因组数据，从而可以调查分离株的流行病学、耐药性和毒力因素。”

正如作者解释的那样，“我们的研究计划是一种相对廉价和强大的工具，用于从LMI国家生成细菌基因组数据，允许对分离株的流行病学、耐药性和毒力因素进行调查……未来，该方法将促进快速、低成本、以及细菌病原体的协同基因组测序。我们协调一致的做法表明了真正全球合作的价值，并可能有助于今后对国际流行病或大流行病的调查。”

生物信息学分析管道和得到的基因组数据可在https://github.com/apredeus/10k_genomes和EMBL欧洲核苷酸档案库(ENA)上公开获得，项目编号为PRJEB35182和PRJEB47910，并作为科学社区的数据资源。