2015年，倫敦皇家布朗普頓醫院重癥監護病房接收了幾名不明病因的患者。醫生懷疑是真菌感染，但是這類疾病很難明確診斷，而且從病人血液樣本中培養真菌也需要時間。
于是他們請來了倫敦帝國理工學院的遺傳流行病學家Jo Rhodes。借助一個名為MinION的小型DNA測序儀，Rhodes識別出病原體為念珠菌。這是一種新型真菌，2009年在日本首次被發現。通過比較不同患者的病原體序列，她判斷疫情可能來自于同一感染源，應該是受污染的設備。她為這種真菌建立了完整的基因組譜圖，并將其與美國疾病控制與預防中心在世界各地收集的念珠菌序列進行了對比，確定了倫敦皇家布朗普頓醫院的菌株與來自印度或巴基斯坦的其他菌株有關。
Rhodes認為雖然在發現準確的感染源之前，疫情就已經得到有效控制，但是這種快速測序還是可以提供重要的醫學信息。例如，測序可以識別出一種氟康唑耐藥基因，這將幫助醫生避免一種常用但是其實在某些情況下注定徒勞的治療手段。
個性化醫療并不是這種微生物測序技術的唯一應用場景。加州大學戴維斯分校的進化微生物學家Jonathan Eisen說：“低廉的測序價格已經徹底改變了微生物基因組學。”他指出一種細菌或古細菌完整基因組的測序費用可能不到100美元。研究人員正在收集微生物基因組，以確定與腸道微生物群落相關的多種疾病的病因，這其中包括了從簡單的病毒感染到類似癌癥的復雜疾病。他們利用這些基因組信息開發新的治療方案，包括利用微生物本身以及它們的代謝產物。科研人員還在研究許多其他微生物的基因組，比如污染水源的微生物。
對微生物的核糖體RNA （rRNA）基因進行測序可以幫助研究人員在屬的層次識別它們。但是，許多研究人員想要獲取更全面的數據，例如在單個或一組樣本中的多個功能基因序列，這些數據只有全基因組測序才能提供。然后需要利用計算工具來分析堿基對。巴黎Enterome公司首席執行官Pierre Belichard表示：“我們工作的核心是生物信息學”。這家公司正通過研究糞便樣本，開發基于腸道微生物的診斷方法和炎癥相關疾病的治療方法（如克羅恩病和癌癥）。
有便便嗎?
然而，在像Enterome公司的研究人員這樣開始處理數據之前，他們要解決一個更基礎的問題——獲取樣本。
在阿肯色州小石城的阿肯色兒童研究所，臨床研究員John Slattery和他的同事在研究自閉癥譜系障礙（ASD）的病因和生理學。最近，他們很關注腸道菌群，這可能導致許多自閉癥患者的胃腸道不適，同時研究人員在這些病人身上觀察到線粒體功能障礙的癥狀。
Slattery想進一步研究ASD患者的腸道菌群，但這里有一個需要解決的問題。糞便捐贈很難獲得，因為捐獻者需要使用一個稱為“收集帽”的笨重容器。對于孩子和他們的家長來說，這真的難以想象。讓事情更復雜的是，80%患有ASD的兒童有便秘、腹瀉癥狀，或者是兼而有之。
這就是為什么Slattery如此推崇由科羅拉多州百年城的BioCollective公司開發的生物收集器。它可以方便地掛在馬桶蓋上，并在收集樣品后收起。Slattery評價說：“它就像一件難以置信的禮物，你甚至不用去看著它。”
成立于2015年的BioCollective公司構建了一種不同尋常的合作關系，人們愿意把糞便送給他們做樣本，而科學家們想要研究這些樣本。會員以39.95美元的價格購買一個生物收集器，當他們收集了糞便樣本后就寄給公司，他們的腸道微生物會被rRNA基因測序準確地識別出來。公司還承諾他們，每一份他們的糞便樣本在被公司銷售給研究機構以后，他們將獲得銷售利潤中的一成。
從另一個角度來說，這些研究人員擁有了簡單、高效、低成本的獲取糞便樣本的途徑。這些樣本與捐贈者的其他信息完整的呈現在一起，比如他們服用過什么抗生素以及他們承受了哪些壓力。公司的首席執行官兼聯合創始人Martha Carlin表示，她甚至希望開發一種標準的“參考”樣品——一種由健康樣本組合而成的“混合糞樣”。
此外，BioCollective公司可以提供處于特定狀態或攝入特定飲食的人群的糞樣。例如，威斯康星州沃沃特薩的Agro BioSciences公司的生物化學家Noah Zimmerman對多酚這類在水果和蔬菜中種類和含量都很豐富的天然產物如何影響微生物群落比較感興趣。為了幫助她，BioCollective公司招募了一批志愿者，并請他們在提供樣品前的一個月，保持高多酚飲食。
一旦研究人員拿到樣本，他們就可以選擇基因組分析的方式了。如果他們不想自己去測序，他們可以選擇外包服務。有很多外包研究機構都愿意幫忙處理基因組測序和分析工作，例如馬里蘭州羅克韋爾市的CosmosID，德克薩斯州休斯頓市的Diversigen，和加利福尼亞州舊金山市的Second Genome Solutions。
對于純種的生物體，可以通過簡單的基因組或轉錄組測序來識別其基因表達模式。CosmosID公司的副總裁兼研發部門主管Nur Hasan指出，僅這一項工作就會產生大量有深度的信息。這家公司可以對客戶提供的純培養微生物進行測序，然后進行生物信息學分析，并提供一系列數據，例如它在微生物的系統發育樹上所處的位置，它攜帶什么抗生素抗性基因，以及它攜帶的毒力因子等等。
Diversigen公司的業務發展總監Jean-Philippe Laine指出，對于那些開發食用或藥用微生物的公司來說，了解微生物的完整序列是至關重要的。
長頸鹿疣
雖然Diversigen公司使用的二代測序儀仍然很受歡迎，但2015年以來市場上已經有了另一種選擇，就是Rhodes使用的MinION，這是由英國的Oxford Nanopore Technologies生產的一款測序儀。它通過膜中的納米孔供給DNA鏈，同時讓一個電流通過這些毛細孔。由于腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鳥嘌呤等堿基通過毛細孔時，對電流的改變會有細微的差別，因此MinION能夠讀取通過毛細孔的DNA序列。
這個裝置比一個U盤稍大一點，可以通過眾多微孔同時讀取多條DNA鏈，并收集較長片段的序列信息，這與短片段的鳥槍測序不同，這一優勢使得MinION特別適用于拼接完整的微生物基因組。
當獸醫們從南非和丹麥的動物園給Piet Maes寄來長頸鹿面部病灶的神秘樣本，MinION就成了這位比利時魯汶大學的分子病毒學家所需的完美解決方案。Maes和他的團隊原本更傾向于用他們常用的傳統二代測序儀對這些樣本進行檢測，他們甚至寧可等到40~160個樣品全部分析完成。
但由于實在迫切地想要知道長頸鹿樣本的測序結果，Maes實驗室的博士生Bert Vanmechelen點亮了MinION。他解釋說：“用這個我們可以在自己的電腦上做測序，第一天準備好樣品，第二天就能得到結果。”在這么短的時間內，他就能夠對一種新型的乳頭狀瘤病毒的基因組進行測序，研究人員將其命名為長頸鹿乳頭狀瘤病毒。Maes解釋說這種病毒沒有什么好的治療方案，所以長頸鹿需要做手術來移除病灶，但是知道感染并不會嚴重惡化也很有意義。
MinION還具有現場檢測能力；在最近的非洲埃博拉病毒暴發期間，它被用來追蹤病毒的進化過程，甚至被運載火箭帶上了國際空間站。
獲取宏基因組數據
Rhodes和Vanmechelen都只是有一個單一的微生物需要測序，但是對于一組生物體來說，測序要復雜得多。羅克韋爾市Synthetic Biologics公司的副總裁Sheila Connelly說，微生物學家似乎正在逐漸從依靠rRNA基因識別出微生物種類，轉向更深度的全基因組測序。她一直和CosmosID合作，研究抗生素是如何改變豬的腸道微生物組——這是一個重要的醫學問題，可能會引發像梭狀芽胞桿菌這樣的機會性感染。
合作研究團隊采用了一種宏基因組學方法，對Connelly的豬糞樣本中所有DNA進行了鳥槍測序。得到的是一份預測群落中細菌種類及其相對豐度的列表，以及可能存在于整個群落的抗生素耐藥基因。Hasan說，基于我們精心管理的標準微生物基因組數據庫，CosmosID能夠將這些信息（例如微生物群落中的物種和菌株）提供給客戶。
Connelly和同事們不僅從CosmosID的數據中發現了抗生素如何改變豬腸道內細菌的分布，而且還觀察到了抗生素耐藥性的群落概況。Connelly說，由此，他們可以知道如何用抗生素頭孢曲松來治療那些似乎對很多藥物有耐藥性的微生物。
對于豬的研究有力地推動了Synthetic Biologics公司的拳頭產品ribaxamase的研發。該公司希望能利用這種口服藥物來保護腸道菌群免受某些靜脈注射抗生素的影響，因為這些抗生素可以殺死大量的健康、有益的微生物群落，并打開有害微生物入侵的大門。這種藥物停留在胃腸道，對任何進入腸道的靜脈注射抗生素都有降解作用，但不會滲透到抗生素正常工作的身體的其他部位。在人體試驗中，ribaxamase已經證實可以減少梭狀芽胞桿菌感染。
像Synthetic Biologics一樣，Second Genome Solutions公司的首席商務官Mohan Iyer認為，他們的公司也專注于將微生物基因組知識轉化為醫療方案。例如，Second Genome Solutions比較了微生物及其功能，他們分析了潰瘍性結腸炎加重患者，結腸炎控制良好的患者和健康人群的胃腸活檢組織。
通過基因組和轉錄組測序，研究人員在健康和發炎的腸道中發現了哪些細菌存在，哪些基因表達。基于此，他們發現了哪些由細菌產生的生物分子可以促進或抑制炎癥。Second Genome Solutions開發的新型消炎藥目前正處于一期臨床試驗階段。
有人要FishTaco嗎?
像Second Genome Solutions、CosmosID和Diversigen這樣的公司可以完成從樣本準備和測序到生物信息學分析的所有工作，這使得科研人員即使缺乏相應的專業知識，也能對微生物基因組進行研究。但擁有準確專業知識和興趣的研究人員已經開發出了他們自己的新工具，并將這些工具和整個科學共同體分享。
但是問題在于，大多數分析工具都只是解決兩個問題中的其中一個：“誰在樣本中？”或者“作為一個群體，群落包含哪些基因？”西雅圖華盛頓大學的計算生物學家Elhanan Borenstein說：“每一個都只是故事的一半，把這兩個數據集整合在一起并不容易。”問題在于不同的生物分類群體在不同人的微生物群體中執行了相同的功能。他的實驗室最近提出了一種解決方案，一種稱為“功能性轉移的分類學貢獻者”的計算方法（簡稱FishTaco）。
首先，FishTaco根據已知的基因組信息對微生物樣本中所有分類組別進行研究，并指出宏基因組測序中的哪些基因來自哪些微生物。當個體生物的基因組信息缺失時，它還可以推斷出哪些基因屬于哪個物種。
然后，FishTaco利用這些信息幫助研究人員確定哪些物種或物種群體與他們正在比較的微生物宏基因組之間的關鍵差異有關。例如，Borenstein和同事們對比了2型糖尿病和健康人腸道微生物的宏基因組序列。宏基因組數據顯示，糖尿病人的菌群樣本中糖轉運蛋白基因豐度要比健康人的高得多，但究竟是哪些細菌在完成這些多出來的糖處理工作呢？FishTaco鑒定出埃希氏菌屬和雙歧桿菌屬分別對不同種的糖類轉運負責。
Borenstein說，這種信息可以幫助研究人員勾勒一幅通過菌種再平衡的方式來獲取所需要的功能，并進而改善健康狀況的藍圖，比如利用抗生素或益生菌等療法。他說：“它打開了一扇通往更加訂制化和個性化的干預方法的大門。”
休斯頓的德克薩斯兒童醫院附屬貝勒醫學院和德克薩斯兒童微生物組中心的微生物生態學家Emily Hollister說，微生物學家目前很少進行這種綜合分析，盡管他們經常對于哪些細菌在執行群落中的哪些功能進行有根據地猜測。她正將FishTaco應用于自己對腸道和呼吸道微生物失衡的研究。
Hollister說：“我們鑒定出的這些差異可能會為潛在的診斷或治療靶點開發提供思路。”■
（譯者李楠是中國科學院深圳先進技術研究院副研究員。）
Amber Dance是一位生活在洛杉磯的自由作家。
DOI: 10.1126/science.opms.p1700115
鳴謝：“原文由美國科學促進會（www.aaas.org）發布在2017年5月19日《科學》雜志”。官方英文版請見http://www.sciencemag.org/features/2017/05/mining-microbes-creating-genomic-tools-fight-disease。