Science 新技术！高通量微生物单细胞测序

2022-11-24 02:33:58 上海欧易生物医学科技有限公司

近年来，微生物组的作用机制已成为当前研究热点。国家自然基金委员会对微生物组领域相关研究也开始大力扶持，与 2010～2015 年相比，2016～2021 年的国自然微生物领域立项数量增长近 300%，资助金额也显著增加。^[1]

虽然我国微生物菌种资源丰富，相应资助也不断提高，但在核心菌株、关键技术方面依然相对落后。作为生物学家研究的热点，对其基因组进行高分辨率、精准解析，一直是科研人员共同的追求。目前，微生物测序的主流的方法 16 S 扩增子测序以及微生物基因组测序（宏基因组）也存在一些弊端：

不能用于病毒基因组测序；

参考序列数据库不完整；

对样本 DNA 的质量要求高；

不能在单个细菌水平分析基因组信息。

因此很大程度上限制了对来自同一群落的单个细菌分辨率的基因组的分析，从而限制了对微生物组及其基因组的组成和结构的了解。因此发现未培养的潜在菌株，并在菌株水平对其功能机制进一步探究对我国微生物行业的进步来说尤为重要。

今年 6 月，两位中国学者作为共同一作在 Science 上联合发文，介绍微生物研究方法的重大突破性技术——MobiMicrobe，打破了这一窘境，给国内微生物研究带来更多机会。^[2]

图源：Science

MobiMicrobe 技术的出现解决了主流微生物测序方法 16 S 扩增子测序无法用于病毒基因组测序以及参考序列数据库不完整的弊端，将在传统测序方法的基础上进一步推动微生物领域对未知菌株的开发，并在菌株的水平上精确分析其具体作用机制。

因此它的出现在微生物领域引起巨大的轰动，该技术或将成为微生物领域 20 年内最令人振奋的新技术。本文将重点介绍这项国人研发的新技术究竟为何如此重要？它的原理以及未来应用方向都有哪些？

无需提前培养细菌即可解析

成千上万的微生物单个基因组信息

MobiMicrobe 通过集成多种液滴微流控技术和定制化的分析手段，在无需提前培养细菌的情况下解析成千上万的微生物的单个基因组信息。

技术原理：

1. 将微生物与裂解试剂包裹进液滴中；

2. 微生物裂解释放 DNA；

3. 在液滴中增加扩增试剂，进行单一微生物基因组扩增；

4. 对扩增的 DNA 进行片段化处理，并拼接接头序列；

5. 在液滴中加入 PCR 试剂和带有 DNA 条形码的微球，进行 PCR 以标记基因组片段；

6. 打破液滴，收集带有条形码的 DNA 片段。

图 1：实验原理

单个样品中获得多种

不同物种及物种中不同菌株的基因组

生信原理：

1. 通过提取并比对各单细胞的基因组标志性信息（genomic signature），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；

2. 进一步将单个微生物的基因组和参考基因组对比，识别来自于不同菌株的单细胞微生物并进行基因组组装。

图 2：生信分析原理

MobiMicrobe 技术

相较于传统技术具有压倒性优势

研究人员将 MobiMicrobe 技术应用于人体肠道群落样本，并用配套开发的生信流程进行分析。结果显示，MobiMicrobe 技术优势明显：

1. 权威性：可获得媲美「金标准」水准的可靠基因组；

2. 全面性：可精确解析菌株水平基因组，同时发现未培养的全新菌株；

3. 精准性：可在菌株水平分析水平基因转移事件，HGT、宿主-噬菌体关联、功能基因和代谢通路进行深入研究。

前沿、便捷、高效

MobiMicrobe 研究技术如何化为己用？

2022 年 8 月，上海欧易生物医学科技有限公司（简称「欧易生物」）与墨卓生物科技（浙江）有限公司（简称「墨卓生物」），在欧易生物上海总部完成战略合作签约及授牌仪式。同年 9 月，欧易生物与墨卓生物签约成为 MobiMicrobe 技术唯一授权服务商，并正式推出高通量微生物单细胞基因组测序服务。

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MobiMicrobe 技术由墨卓生物深入研发，大大提升了对微生物群落研究的精度，让科研人员更深入了解单个微生物的基因组学信息。此外，该技术不仅能解析肠道微生物复杂的群落结构，进一步回答微生物群落特征和肠道健康间的关联。

在其他类型样本中，如：土壤等，未来也有进一步探索的空间。通过分析土壤和农作物的关联，有利于提高农作物，防治病虫害。作为一项革新性的技术，未来该技术在临床、农业、渔业等领域都将有用武之地。

内容策划：那雪妍
内容审核：周育红

题图来源：图虫创意

参考文献：

[1]. 高倩,王博,江洪.国家自然科学基金资助微生物组研究的现状与效果分析[J].中国生物工程杂志,2022,42(06):130-135.DOI:10.13523/j.cb.2112060.

[2]. Wenshan Zheng, Shijie Zhao，High-throughput, single-microbe genomics with strain resolution, applied to a human gut microbiome. Science. 2022 Jun 3;376(6597)