Comment：研究微生物，只靠多组学根本不够

转载自沈梦圆的博客：研究微生物，只靠多组学根本不够！

2016年7月下旬在Nature Microbiology上发表了一篇名为Are multi-omics enough?[1]的评论性文章。通过阅读这篇文章我对微生物组学有了更为深入的了解。以下是几位专家的观点，我简单地翻译了一下，让我们来看看：

内容摘要

对微生物组的研究，要结合多组学、培养和生态学鉴定：① 宏基因组测序有很大局限性，它不考虑微生物的生态学联系，可能会增加复杂性甚至得到错误结果；② 因缺乏被注释的参考基因组数据，测序得到的宏基因组序列，有7-60%无法被准确分类；③ 从生态学角度，需要鉴定出分类学上极为复杂的样本中的关键优势物种，需要将巨量数据简单化，做出准确的生态学相关结论；④ 鉴定物种的功能，离不开对微生物的分离培养、单细胞测序等新技术。[2]

多组学的优点

两个世纪以来，从1665年的罗伯特虎克第一次观察到微生物细胞，到分离细菌菌株并且在人工培养基上纯培养。微生物物种的鉴定和研究，需要依赖于纯培养来获取其表型和生理特征。尽管如此，科学家们很快发现环境样品中大概只微生物中大约只有1%能够被培养和鉴定。2002年，宏基因组测序技术的诞生促使了微生物组学爆发性地研究。因为该技术仅通过单一的测序实验就能鉴定许多微生物群落。若干年以后，其他组学技术陆续产生（宏转录组学、宏蛋白组学、宏代谢组学等等），它们结合宏基因组学技术使得高通量分析技术成为研究复杂微生物群落的强有力工具。虽然多组学被看做未来微生物研究的关键技术。但是我们认为现阶段的研究除了简化复杂的组学数据，还是需要结合微生物纯培养技术，才能更好地理解微生物群落。

多组学的缺点

尽管通过整合多组学数据能够得到史无前例的完整结果，但是在分析数据的研究过程中会忽略相关的生态结论，反而愈加关注物种分类、表达的基因和代谢产物。因此，值得强调的一点就是使用多基因组学分析技术会增加复杂的风险。就像树被森林所隐藏，微生物群落之间的分子相互作用会被大量的多组学数据淹没。使用多组学技术就能了解相关生物间的相互作用的想法是错误的。微生物自然组合形成相互作用的群落，并且群落结构直接和微生物过程相关。所以，鉴定复杂样品中的关键物种对于去了解其特定环境的生态是必需的，特别是生物技术研究领域中的生物污染。在沼气行业中，工程师把他们的发酵罐看成产生沼气的黑盒。通过组学技术确实是能够帮助解决复杂发酵群落的分类和功能问题，但是只用组学分析是很难去了解生态和经济因素在整个发酵过程中的核心作用。

Figure 1 | Microbiome biology as the interphase among multi-omic data, ecological characterization, and cultivation-dependent techniques

多组学和生态学建模

生态学家建议多组学研究应该得到大于各类数据总和的信息。长路漫漫，但这些所谓的非生态研究仍然有助于预测微生物群落物种间的相互作用和关系、了解它们自然栖息环境的代谢网络。此外，近几年来产生了可供替代的研究方法，用来预测生态相关信息。例如，使用人工神经网络进行微生物群落建模，将环境参数和内部微生物相互作用建立函数关系。通过实时测量种间的相互代谢作用分析可以了解到微生物群体的动态变化和组成。并且还可以利用数学建模技术和多维尺度分析的模式识别方法来实现微生物群落可视化效果。虽然如此，目前微生物生态学研究中，还缺少将实验多组学数据和预测模型联系起来的环节。

多组学和分离纯培养

我们想象未来能够将千兆的多组学数据通过分析，转变成更加简单的生态学结论。但这意味着我们不再需要培养微生物了么？不！我们认为纯培养从来都是必不可少的。事实上，当我们研究稀有物种只通过鉴定和分离细菌抑或仅整合多祖学数据是不够的。

因为即使是再高的测序深度或者优化的生物技术，微生物群落中的稀有物种也很难被检测到。单细胞基因组测序技术的发展推进宏基因组数据分析，还有革新的样品取样方法（分析通过小于0.2um过滤器的生物量），这些能够使得揭示许多微生物奇特的物种进化和功能的多样性。因此，分离纯培养是一种能够全面鉴定稀有物种和模拟预测特殊的微生物生物技术问题的方法。从这个意义上说，为了纯培养那些难培养的微生物必须提高生物勘测技术。通过原位培养技术已经能够成功地分离出细菌所携带的特殊基因片段和一些其产生的新型抗生素。这些都是多组学技术所不能做到的，因为通过组学只能得到匹配到数据库中未知功能的片段上。事实上，由于公共数据库中缺少已经注释完整的参考基因组，利用宏基因组测序只能估计7-60%的序列信息。

另外一问题就是当稀有微生物是超微型细菌时，它自身缺少完整的代谢网络，就很难进行分离培养。因此，在分离稀有的微生物或者微生物群体不仅需要生理生化特征，而且还需要全面分析其的基因组，这样才能作为新的参考数据使我们更好地理解微生物组织和群体。抵赖于培养分析方法和非培养分析方法是互补互需的关系。多组学分析需要更多参考基因组才能够更好地分析得到复杂、新的微生物群落。而微生物生态学家，他们则需要通过多组学数据来了解微生物群落中有一些什么物种，这样他们也能够更好地有方向性地去分离培养。在未来，多组学技术和生态代谢模型可以被整合用来预测难培养微生物在基础代谢网络中的必需营养元素。因此，展望未来的微生物组生物学研究不仅是简单的多组学分析，而是多组学、纯培养、生态特征的整合分析。

展望未来

按比例估计，现如今仍然还有数万亿的微生物物种没有被发现。探索这些物种将会一个巨大的挑战，我们认为超越多组学将是开启揭露神奇、复杂的微生物群体组成和生态功能的大门。通过整合分析多种高通量测序数据来发现未知基因、微生物物种、代谢产物，这些将会提高数据库和方法论的完整性，但是这些微生物本身仍然是未知。生物多样性经常被认为是生物学研究的起源，但也要关注生物本身。

参考文献

[1] VILANOVA C, PORCAR M. Are multi-omics enough? [J]. Nature Microbiology, 2016, 1(8): 16101. https://www.nature.com/articles/nmicrobiol2016101

[2] http://mc.gutgutgut.cn/papers/read/1070903076?kf=web.search

原文链接： http://shemy.site/2016/08/21/Are-multi-omics-enough/

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