宏基因组的优点(宏基因组学技术的研究与挑战)

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微生物是自然界中分布最广、种类最多、数量最大的生物类群。由于微生物群落复杂、且只有不到1%的物种能分离纯化的特点，让不少学者都望而却步。因此宏基因组一经出现，便受到各路大神的热捧~

一、宏基因组初识

宏基因组 ( Metagenome)(也称 微生物环境基因组学Microbial Environmental Genomics, 宏基因组学、 元基因组学Metagenomics,生态基因组学 Ecogenomics) 是由Handelsman 等1998年提出的新名词, 其定义为“the genomes of the total microbiota found in nature” , 即生境中全部 微小生物 遗传物质的总和。它包含了可培养的和未可培养的微生物的基因, 目前主要指环境样品中的细菌和真菌的基因组总和。而所谓宏基因组学 ( metagenomics) 就是一种以环境样品中的微生物群体基因组为研究对象, 以功能基因筛选和测序分析为研究手段, 以微生物多样性、 种群结构、 进化关系、 功能活性、 相互协作关系及与环境之间的关系为研究目的的新的微生物研究方法。一般包括从环境样品中提取基因组 DNA, 克隆DNA到合适的载体,导入宿主菌体,筛选目的 转化子等工作。特定 生物种基因组研究使人们的认识单元实现了从单一基因到基因集合的转变，宏基因组研究将使人们摆脱物种界限，揭示更高更复杂层次上的生命运动规律。在目前的 基因结构功能认识和 基因操作技术背景下，细菌宏基因组成为研究和开发的主要对象。细菌宏基因组细菌 人工染色体文库筛选和基因 系统学分析使研究者能更有效地开发细菌基因资源，更深入地洞察细菌多样性。如宏基因组成为 生物催化剂的新来源。

二、宏基因组和16S测序区别

传统的二代16S测序适用于揭示群落的物种组成，但因为序列只有300 bp – 480 bp，所以不能将全部获得的序列注释到种水平。虽然基于PacBio平台进行三代16S测序可以获得16S全长序列，但是依然不能了解群落的功能。

相比之下，宏基因组的研究对象是群落中的所有基因，能更加明确微生物的功能，即微生物群落能干什么的问题。宏基因组也可以进行微生物群体的物种分类，包括：多样性分析，群落结构，功能注释，样品间的物种或基因差异以及物种间的代谢网络研究。

三、 宏基因组研究策略

目前的宏基因组测序策略大致可以分为三部分，二代、三代宏基因组测序和分箱组装。

四、 宏基因组实验流程

在二代宏基因组的实验流程中，首先，会对提供的DNA或者从提供的样本中抽提的DNA进行纯度、浓度和体积等方面的检测。其次，对检测合格后的样品进行文库制备和文库质检。文库制备即通过提取样品的基因组DNA并随机打断，电泳回收所需长度的DNA片断，并加上接头引物，制备得到所需文库。最后，对质检合格的文库进行上机测序。

在三代宏基因组的实验流程中，质检合格后的DNA，通过PacBio SMRT技术构建SMRT bell环状文库，通过环状重复测序并纠错，得到subreads或者CCS。

五、 宏基因组分析流程

二代宏基因组信息分析流程图如下所示：

三代宏基因组信息分析流程图如下所示：

六、宏基因组研究难点

那么当代宏基因组的研究中存在哪些困难和挑战呢？

首先，不同的取样和DNA提取方法决定了宏基因组研究的结果，如何对这些方法进行标准化是宏基因组学研究的一个难点。第二，由于许多基因或基因产物在外源宿主中不表达或表达后没有活性，限制了后期的研究，因而建立更多的适于不同基因表达的宿主系统是基于功能筛选的宏基因组学研究的又一困难。第三，数据分析及生物信息学分析方法、微生物培养技术及模式微生物全基因组序列获得等方面的规范有待于提高。因此，建立较规范宏基因组数据库，供不同领域及各个国家的研究人员共享使用，将更有利于对宏基因组学研究结果的解释和利用。