微生物組學(xué)（Microbiomics）是研究生物體內(nèi)外微生物群落結(jié)構(gòu)、功能和動(dòng)態(tài)的科學(xué)領(lǐng)域，近來(lái)越來(lái)越受到科學(xué)家的重視。人體微生物組與多種健康狀況有關(guān)，包括消化、免疫反應(yīng)和心理健康。微生物組學(xué)有助于識(shí)別與疾病相關(guān)的微生物變化，并開(kāi)發(fā)新的診斷和治療方法。環(huán)境微生物組學(xué)有助于揭示微生物的多樣性，保護(hù)那些對(duì)生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要但尚未被充分研究的微生物類群。通過(guò)理解微生物群落在生態(tài)系統(tǒng)中的角色，可以更好地了解和保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的功能和服務(wù)。"微生物暗物質(zhì)"（Microbial Dark Matter）是指那些在環(huán)境中廣泛存在，但在實(shí)驗(yàn)室條件下難以培養(yǎng)和研究的微生物類群。這些微生物由于無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法被獲取和研究，因此它們的存在和多樣性很大程度上是通過(guò)分子生物學(xué)技術(shù)，如宏基因組學(xué)和單細(xì)胞基因組學(xué)，才得以揭示。在研究微生物暗物質(zhì)時(shí)，宏基因組學(xué)（Metagenomics）面臨多種挑戰(zhàn)，主要包括：
1. 數(shù)據(jù)組裝難度：宏基因組學(xué)涉及將大量短讀序列組裝成較長(zhǎng)的連續(xù)序列或完整的基因組。由于微生物暗物質(zhì)中的許多微生物尚未被培養(yǎng)，它們的基因組序列未知，使得組裝過(guò)程復(fù)雜且困難。
2. 基因組分箱（Binning）問(wèn)題：在宏基因組中區(qū)分和重建特定微生物的基因組需要將混合的基因組序列分箱，這個(gè)過(guò)程可能因參考數(shù)據(jù)庫(kù)的不完善或序列相似性低而導(dǎo)致錯(cuò)誤。
3. 參考數(shù)據(jù)庫(kù)的局限性：現(xiàn)有的微生物參考數(shù)據(jù)庫(kù)可能不足以代表所有環(huán)境樣本中的微生物多樣性，這限制了未知微生物基因組的鑒定和注釋。
4. 基因預(yù)測(cè)和注釋的準(zhǔn)確性：由于缺乏培養(yǎng)的微生物作為參考，預(yù)測(cè)和注釋宏基因組中的基因功能可能不夠準(zhǔn)確，特別是對(duì)于微生物暗物質(zhì)中的新穎基因和代謝途徑。
5. 功能基因的鑒定：在宏基因組數(shù)據(jù)中鑒定具有特定功能的基因，如參與特定代謝途徑的基因，可能因缺乏直接證據(jù)而變得具有挑戰(zhàn)性。
6. 微生物相互作用：微生物群落中的相互作用，如共生、競(jìng)爭(zhēng)和捕食，可能影響它們的基因表達(dá)和功能，這些復(fù)雜的生態(tài)關(guān)系在宏基因組數(shù)據(jù)中難以解析。

在研究微生物暗物質(zhì)時(shí)，單細(xì)胞基因組學(xué)（Single-cell Genomics, SCG）相對(duì)于宏基因組學(xué)方法提供了一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：
1. 直接測(cè)序：SCG允許研究者直接從單個(gè)細(xì)胞中獲取基因組信息，無(wú)需培養(yǎng)，這對(duì)于難以培養(yǎng)或未知的微生物尤其重要。
2. 減少基因組混合：在宏基因組學(xué)中，來(lái)自不同微生物的DNA序列可能會(huì)混合在一起，導(dǎo)致基因組分箱困難。SCG通過(guò)分析單個(gè)細(xì)胞，避免了這種混合，提供了更清晰的基因組信息。
3. 揭示稀有種：SCG可以捕捉到在宏基因組中可能因序列深度不足而被忽略的稀有或低豐度物種。
4. 基因組完整性：?jiǎn)渭?xì)胞基因組學(xué)可以提供更完整的基因組序列，因?yàn)樗�不受其他微生物基因組的干擾，有助于獲得更準(zhǔn)確的基因組組裝和注釋。
5. 細(xì)胞特異性特征：SCG可以揭示特定細(xì)胞類型的基因組特征，包括那些可能在宏基因組分析中被掩蓋的細(xì)胞間變異。
6. 功能性基因分析：通過(guò)單細(xì)胞方法，可以更精確地識(shí)別和分析功能性基因，如那些參與特定代謝途徑的基因。
7. 細(xì)胞間相互作用：SCG有助于研究細(xì)胞間的相互作用，例如共生關(guān)系，這些在宏基因組分析中可能難以觀察到。
8. 基因組多樣性和進(jìn)化關(guān)系：通過(guò)分析多個(gè)單細(xì)胞的基因組，可以更好地理解微生物群落的遺傳多樣性和物種之間的進(jìn)化關(guān)系。
9. 實(shí)時(shí)細(xì)胞狀態(tài)：SCG可以提供關(guān)于細(xì)胞在被測(cè)序時(shí)的生理狀態(tài)的信息，這有助于理解細(xì)胞的活性和功能狀態(tài)。盡管單細(xì)胞基因組學(xué)提供了這些優(yōu)勢(shì)，但它也有自己的局限性，尤其是從樣本中對(duì)單個(gè)微生物細(xì)胞進(jìn)行分離的難度。來(lái)自德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院和弗萊堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，首次成功應(yīng)用了一種新開(kāi)發(fā)的微生物單細(xì)胞分離系統(tǒng)B.Sight，用于從污水處理廠的復(fù)雜樣本中無(wú)標(biāo)記分離單個(gè)細(xì)菌，展示了該技術(shù)在單細(xì)胞基因組學(xué)和其他下游應(yīng)用中的潛力。通過(guò)該技術(shù)，微生物基因組恢復(fù)成功率超過(guò)80%，并通過(guò)16S rRNA基因分析鑒定了50個(gè)Patescibacteria/CPR成員。
 

Patescibacteria/Candidate Phyla Radiation (CPR) 是一組在分子水平上獨(dú)特且之前未知的細(xì)菌類群。它們?cè)诃h(huán)境微生物群落中相對(duì)豐富，但由于難以在實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)，因此對(duì)它們的研究相對(duì)較少。研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用宏基因組和微生物單細(xì)胞基因組技術(shù)，研究了釀酒廠廢水處理中的Patescibacteria/CPR微生物群落。相對(duì)于宏基因組技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)單細(xì)胞基因組學(xué)獲得了27個(gè)單一放大基因組（SAGs），這些基因組代表了15個(gè)新的Patescibacteria/CPR成員，包括之前未見(jiàn)過(guò)的物種、屬和科。 文章的結(jié)論部分強(qiáng)調(diào)了微生物單細(xì)胞分離技術(shù)作為一種強(qiáng)大的工具，它在探索環(huán)境樣本中的微生物暗物質(zhì)方面展現(xiàn)出巨大的潛力。這項(xiàng)技術(shù)允許研究者無(wú)標(biāo)記地分離和分析單個(gè)微生物細(xì)胞，從而能夠詳細(xì)地研究那些難以通過(guò)傳統(tǒng)培養(yǎng)方法獲得的微生物類群。微生物單細(xì)胞分離技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于它能夠提供對(duì)微生物個(gè)體的直接觀察和基因組分析，這有助于揭示微生物群落內(nèi)部的遺傳多樣性和復(fù)雜性。通過(guò)這種技術(shù)，研究者可以識(shí)別和重建那些在宏基因組分析中可能被忽視的稀有或低豐度微生物的基因組。此外，結(jié)論部分也強(qiáng)調(diào)了結(jié)合宏基因組學(xué)和單細(xì)胞分析的重要性。宏基因組學(xué)提供了對(duì)整個(gè)微生物群落的鳥(niǎo)瞰視角，可以揭示群落成員的整體基因組成和功能潛力。而單細(xì)胞基因組學(xué)則提供了深入到個(gè)體水平的詳細(xì)視圖，有助于理解特定微生物的生物學(xué)特性和生態(tài)角色。通過(guò)這種多維度的研究方法，科學(xué)家們可以更全面地理解微生物多樣性，包括物種間的相互作用、生態(tài)功能以及對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)。這種綜合分析有助于揭示微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能，以及它們?cè)谏鷳B(tài)系統(tǒng)中的作用。 這篇文章采用的微生物單細(xì)胞分離技術(shù)就來(lái)自德國(guó)B.Sight微生物單細(xì)胞分離系統(tǒng)，冷泉港生物作為B.Sight在中國(guó)區(qū)的代理商，提供任何關(guān)于B.Sight技術(shù)的咨詢和服務(wù)，歡迎感興趣的老師們前來(lái)咨詢。同時(shí)，我們也建立了“微生物單細(xì)胞基因組學(xué)技術(shù)交流群”，歡迎大家掃碼加入。
 
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