從傳統顯微鏡走向次世代NGS定序 1

傳統的微生物學,源自十七世紀中葉,荷蘭貿易商與科學家〜李文虎克(Antonie Philips van Leeuwenhoek)利用顯微鏡觀察自己口腔的微生物,開啟了微生物科學研究之基礎,後來陸續有科學家建立各式各樣的研究方法,通常都聚焦於少數種類的研究、分離與觀察鑑定等,但地球生物圈中有太多微生物是無法被分離培養研究的,迄今,微生物的研究手段更創新,巧妙的以核酸(DNA/RNA)角度進行微生物的分類。有鑑於此,Handelsman等學者於1998年首先提出『總體基因體學(Metagenomics)』的概念,泛指研究環境某區域的所有微生物,利用特別的標誌基因【如:卡爾•烏斯(Carl Woese)提出的16S rRNA等】進行微生物的種類分析或功能性解讀。歷經傳統Sanger定序,到現在的次世代定序(Next Generation SequencingNGS),總體基因體學的研究效能將更趨極致,NGS定序科技的角色扮演更為舉足輕重。

從傳統顯微鏡走向次世代NGS定序

人體內居住著數兆個細菌與微生物,約是人體細胞總數(60兆個細胞)的十倍,總重量約占體重的1-3%(以70公斤的成年男子來說,體內微生物約占0.71.4公斤),種類更是遠超過10,000種,如以基因層次來說,人類基因組有兩萬多個蛋白質編碼的基因,但體內微生物基因總和卻有8百多萬個,數量比例多達360倍。無論就細胞層面或基因層面,都顯示人體微生物的巨量龐大,因此,了解微生物生態系統,及其對人體內生化反應與生理反應等都是相當重要的課題。

2008年以來,人類與微生物之間的科研探索漸趨顯學,美國國家衛生研究院(National Institutes of Health)推動之人體微生物研究計畫(Human Microbiome ProjectHMP),另外,還有一些類似的大型計畫,如:American Gut Project,這主要都是探討人體內微生物與健康和疾病間的關係,並以NGS定序科技解讀微生物基因組為首要任務。HMP計畫截至2016官方網站最新的公布,從3001840歲的健康成人中進行微生物採樣研究,目前,已超過1300種的人體微生物(以口腔、皮膚、消化系統的區域為多數)被解序,並成為協助醫學研究之參考序列,除此之外,該計畫也建立專屬資料庫DACCData Analysis and Coordination Center)提供生物資訊完整分析的研究平台,將最新的研究動態與成果,公告給相關需要之研究單位所使用。拜NGS定序高通量且速度快等所賜,讓過去難以全面性研究的微生物領域,逐漸轉變為大數據的生物資訊,然而,其中尚有許多需要深入專研及分析,也希望科學家能將微生物社群與生態系的多樣性輪廓,能夠更清晰地描繪與註解說明。

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資料來源:

1.Alejandra Escobar-ZepedaArturo Vera-Ponce de León and Alejandro Sanchez-Flores.2015The road to metagenomicsfrom microbiology to DNA sequencing technologies and bioinformatics.Front Genet. 6348.

2.美國Human Microbiome ProjectHMP)官方網站http://hmpdacc.org/

3. Nature (2012) 486

4. Illumina官方網站https://www.youtube.com/watch?v=1uZtCMY-yEw

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