在過(guò)去十年中，核酸測(cè)序和質(zhì)譜技術(shù)的進(jìn)步使得能夠更快速，更有信息地進(jìn)行宏基因組，轉(zhuǎn)錄組，蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)的分析。在這里，我們回顧了多環(huán)境和人類微生物多組學(xué)分析的關(guān)鍵，討論了為了解決當(dāng)前缺陷未來(lái)的一些潛在的發(fā)展方向。

微生物在大約35億年前在地球上開始出現(xiàn)，最終占領(lǐng)了地球生物圈的每個(gè)位置。雖然已知微生物負(fù)責(zé)對(duì)地球上的很多關(guān)鍵功能，例如碳和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)，以及決定地球植物和動(dòng)物的健康和疾病，但目前認(rèn)為存在的萬(wàn)億微生物中有99％還沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。此外，由于復(fù)雜的微生物群體多樣性導(dǎo)致研究微生物群體中特定的功能變得非常復(fù)雜，微生物群體（定義為特定環(huán)境中存在的微生物及其集體遺傳物質(zhì)的總體，例如居住在土壤或人類腸道中的所有微生物）。幸運(yùn)的是，過(guò)去幾十年的技術(shù)進(jìn)步大大促進(jìn)了復(fù)雜微生物及其功能的研究。這里我們將討論與核酸測(cè)序和質(zhì)譜（MS）分析相關(guān)的進(jìn)展，這些分析是的我們能夠分析環(huán)境和體內(nèi)的微生物群體。

核酸測(cè)序

核酸測(cè)序技術(shù)的速度和通量的驚人增長(zhǎng)促進(jìn)了微生物研究進(jìn)展。特別是下一代（NextGen）測(cè)序有了革命性的發(fā)展，它們已經(jīng)超過(guò)了近三十年（1977年至2005年）占主導(dǎo)地位的傳統(tǒng)Sanger測(cè)序方法。使用基于Sanger雙脫氧核苷酸的連鎖終止方法對(duì)單個(gè)細(xì)菌基因組進(jìn)行測(cè)序以前是一項(xiàng)需要多年才能完成的重大努力。使用Sanger方法完全測(cè)序的第一個(gè)細(xì)菌基因組是1995年的嗜血桿菌流感（1997年完成了大腸桿菌）。目前，由于可用快速和便宜的NextGen測(cè)序平臺(tái)，現(xiàn)在可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成細(xì)菌基因組測(cè)序。


單分子測(cè)序技術(shù)

新興測(cè)序技術(shù)包括基于單分子的DNA測(cè)序儀可以更快的進(jìn)行微生物基因組的研究。一個(gè)例子是來(lái)自PacBio的單分子實(shí)時(shí)（SMRT）技術(shù)，其依賴于拴住的DNA聚合酶和零模式波導(dǎo)，以通過(guò)少量液體引導(dǎo)光能。 PacBio目前提供長(zhǎng)度為10-25 kbp的DNA序列讀數(shù)和每個(gè)SMRT小室?300 Mbp。由于使用束縛聚合酶，PacBio平臺(tái)可以檢測(cè)異常由于聚合酶的擺動(dòng)，可以直接讀取DNADNA修飾情況。牛津Nanopore測(cè)序平臺(tái)是另一個(gè)新興和有希望的單分子測(cè)序儀。與目前的平臺(tái)不同，牛津平臺(tái)不依賴于合成測(cè)序，而是通過(guò)穿過(guò)Nanopore直接對(duì)核酸分子進(jìn)行排序。 Oxford Nanopore可以檢測(cè)到像PacBio platorm的DNA修飾，平均讀取長(zhǎng)度為?1-2 kbp，以及任何測(cè)序儀（> 90 kbp）提供的最長(zhǎng)讀取長(zhǎng)度。牛津Nanopore測(cè)序器的主要優(yōu)點(diǎn)是其拇指大小，可以在個(gè)人實(shí)驗(yàn)室電腦上用實(shí)時(shí)使用無(wú)線技術(shù)進(jìn)行分析。

測(cè)序復(fù)雜微生物群落

DNA測(cè)序技術(shù)的改進(jìn)使許多發(fā)現(xiàn)世界各地和我們自己身體中的微生物成分和潛在功能。大部分關(guān)于微生物的信息都來(lái)自NextGen測(cè)序的16S rRNA基因作為細(xì)菌和古細(xì)菌的系統(tǒng)進(jìn)化標(biāo)記。另外，總DNA（即基因組學(xué)）的NextGen測(cè)序已經(jīng)可以確定在不同環(huán)境中與特定微生物群體相關(guān)的功能基因。 例如，一些研究已經(jīng)定義了在深水地平線溢油在墨西哥灣和解凍永久凍土之后的水和沉積物樣品中的功能基因組成。 然而，絕大多數(shù)這些基因沒(méi)有已知功能，反映了尚待發(fā)現(xiàn)的環(huán)境微生物的巨大多樣性和生化潛力。


宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)

Metatranomics測(cè)序總mRNA（即，metatranomics）揭示哪些基因被表達(dá)通過(guò)空間和時(shí)間尺度的特定生物體。 Metatranomics提供了微生物基因在各種生態(tài)系統(tǒng)中的表達(dá)知識(shí)，包括酸礦排水、腸、海洋和土壤。例如，吉爾伯特等人使用宏轉(zhuǎn)錄組來(lái)確定英吉利海峽海洋微生物群的季節(jié)性表達(dá)模式。最近，我們使用Metatranomics來(lái)推斷土壤基因組中哪一個(gè)識(shí)別的生物體在土壤中有活性。雖然Verrucomicrobia在被調(diào)查的土壤中非常豐富，但很少的mRNA轉(zhuǎn)錄本映射到其基因組，這表明它們實(shí)際上是轉(zhuǎn)錄靜止的。相比之下，F(xiàn)irmicutes基因組被發(fā)現(xiàn)是轉(zhuǎn)錄活躍的。這揭示了Metatranomics在驗(yàn)證宏基因組學(xué)和了解微生物群落不同成員的相對(duì)活動(dòng)方面的效用。

基于質(zhì)譜法的蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)測(cè)量

雖然DNA測(cè)序的進(jìn)展使得能夠更好地了解微生物中的微生物系統(tǒng)發(fā)育和功能基因組成，但也希望了解在特定條件下產(chǎn)生哪些蛋白質(zhì)（即宏蛋白質(zhì)組學(xué)）和代謝物質(zhì)（即代謝組學(xué)），以及擾動(dòng)如何影響微生物功能。微生物在不同樣品中產(chǎn)生的蛋白質(zhì)和代謝產(chǎn)物的測(cè)量主要通過(guò)MS實(shí)現(xiàn)。在微生物樣品的MS分析中，感興趣的生物分子在源中離子化，根據(jù)其在質(zhì)量分析儀中的質(zhì)荷比進(jìn)行分離，最后檢測(cè)，提供具有高靈敏度，分辨率和產(chǎn)量的宏蛋白質(zhì)組學(xué)或代謝組學(xué)測(cè)量。

1984年電噴霧電離（ESI）的引入大大增加了MS測(cè)量用于評(píng)估的效用。 ESI的一個(gè)挑戰(zhàn)是執(zhí)行它在大氣壓力（760乇）下，質(zhì)量分析儀通常在10-6和10-11乇之間的壓力狀態(tài)下工作。這種壓力差異超過(guò)九個(gè)數(shù)量級(jí)，如果源和質(zhì)量分析儀區(qū)域耦合不好，則會(huì)發(fā)生巨大的離子損失。因此，在過(guò)去二十年中，已經(jīng)優(yōu)化了使用離子漏斗和透射四極區(qū)域的界面設(shè)計(jì)，以重新聚焦離子，同時(shí)不斷降低壓力。這些領(lǐng)域的改進(jìn)導(dǎo)致離子損失減少和靈敏度更高。然而，分析復(fù)合微生物中的生物分子由于高動(dòng)態(tài)范圍和給定樣品中存在數(shù)千個(gè)組分，MS仍然非常困難。這些挑戰(zhàn)需要在分辨率，精度和MS / MS速度方面改進(jìn)質(zhì)量分析儀。四極桿，離子阱，飛行時(shí)間和離子回旋共振（ICR）質(zhì)譜分析儀構(gòu)成了2005年引入軌道曝光儀之前使用的大多數(shù)質(zhì)量分析儀。orbitrap技術(shù)為實(shí)驗(yàn)室提供了更高的分辨能力，更為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。orbitrap技術(shù)在過(guò)去十年的進(jìn)步包括更高分辨率的測(cè)量和更快的MS / MS，這里包括linear ion trap （低分辨率）和orbitrap（高分辨率）的掃描速率。最大分辨率和MS掃描速度過(guò)去15年顯示，這兩個(gè)特征都已被優(yōu)化，以便在每個(gè)測(cè)量中獲得最佳的生物分子覆蓋和準(zhǔn)確性。然而，由于微生物組織樣品的復(fù)雜性，還采用了一維和二維液相色譜分離和氣相離子遷移光譜等附加技術(shù)來(lái)增加鑒定的蛋白質(zhì)和代謝物的數(shù)量。這些分離技術(shù)在檢測(cè)前降低了樣品的復(fù)雜性，由于每個(gè)微生物組分樣品中存在許多分子，因此離子阱和檢測(cè)器的抑制較少，并且可以使給定樣品中的蛋白質(zhì)和代謝物更高的覆蓋范圍。