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Cell子刊热议:贮存微生物组的“生物银行”该怎么建造?

编者按:

传统微生物研讨经过菌种保藏来支撑和保证研讨的质量和可重复性,可是近年来鼓起的微生物组研讨范畴正在改动这一切。

微生物组样本应该怎么保存?什么样的微生物组样本值得保存?针对微生物组的生物银行在建设过程中要注意哪些问题?将面对哪些应战?

今日,咱们特别编译了宣布在Trends in Microbiology上的关于微生物组生物银行的文章。期望该文能够为相关的工业人士和诸位读者带来一些启示和协助。

① 介绍

传统上,微生物学运用菌种保藏及其相关服务来支撑和保证微生物研讨的质量和可重复性。可是,微生物组学的呈现标志着科学办法的范式改动,即从保存单菌株培育物转向保存杂乱的微生物群落,而这一改动需求进一步开发基础设施来支撑。

欧盟的微生物组支撑项目评价了在这个重要研讨范畴中所需求的资源基础设施需求。在本文中,咱们迁就为什么咱们需求保藏、需求保藏什么,以及所保藏的样品怎么支撑微生物组研讨等问题宣布观点。

图1|现在支撑微生物组研讨的欧洲和世界格式是碎片化的

② 生物银行和菌种保藏

微生物组是由细菌、古菌、真菌、藻类、原生生物和病毒组成的杂乱动态体系,不管宿主生物体或环境怎么,微生物组的构成/发挥功用的原理都是相同的。最近,从头界说微生物组的提议被提出:微生物组是指日子在给定生态体系中的微生物活动的调集。

虽然每株“保藏菌种”都是从微生物组中分离出来的微生物,但这些微生物代表的是在单一菌株条件下可培育的保藏组分。

德国 DSMZ 国家微生物菌种保藏中心是少量几个具有更为广泛的可培育的微生物组样本的中心之一,包含来自拟南芥、人类肠道微生物组和小鼠微生物组的菌株。

实际上,菌种保藏是一种商业运作形式,在这种形式下,微生物被培育出来用以出售和分配。虽然保藏中心能够供应“模仿的”、“组成的”和“构建的”微生物混合物来进行质量操控和产品供应,可是,关于只要有限供应来历的微生物组样品而言,这种办法不是最佳挑选。

其实, “生物银行”能够贮存被“冻存”或“固定”以及快照的样本和安排。

各种安排的生物银行搜集的患者粪便样本,均可供未来医疗运用,例如,AdvancingBio、OpenBiome、Stool Bank East、Metagenopolis和HMGU biobank。

粪菌库在样品处理流程和质量把控的晋级上处于领先地位。这种经历不只将进步供后续运用的产品质量,还能够将其传达共享给其他范畴的科学家。

在农业范畴,英国的 Rothamsted Sample Archive 样本库贮藏着小麦谷物、稻草、土壤、牧草和肥料等样本。种子银行,例如,英国皇家植物园邱园千年种子库 Kew Millennium Seed Bank,涵盖了种子及其相关的内生菌。

菌种保藏能够保证微生物以最佳的办法被保存在支撑“成长和供应”的可持续性模型中,而生物银行一般仅仅保存样本,不故意重视一切微生物组分的活性或稳定性。这意味着一个活体的菌种保藏中心和“生物银行”保存库之间有清晰差异,虽然偶然会有破例。

微生物群落库 Microbiota Vault的树立代表了迈向全面微生物组资源的重要的第一步。这是一份鼓舞树立对人类重要的微生物库和呼吁展开世界微生物组维护作业的主张。

③ 保存与贮藏

以最佳办法保存微生物组样本的应战是巨大的。

研讨人员应该现已意识到,微生物组的功用性和完好性在无意中就会产生根本性的改动,这是一个动态体系,会跟着环境的影响和生物要素的改动而改动。在功用层面上,假如运用未优化的存储办法去除单个要害微生物组分,就或许会不可逆转地影响体系的完好性。

这是你尽力保藏微生物组样本时有必要考虑的问题:你要怎么区别“胡须”和“心脏”,并评价单一成分在微生物组中的效果以及它与整个体系全体功用的联络?例如,当人们改动作物的种类、实践操作以及增加或消除微生物时,作物相关的开始始的微生物组会产生实质性改动。

在衡量微生物组保藏时,咱们需求回答两个根本问题:① 应该保存什么?② 保存微生物组样品的最佳办法是什么?

关于为什么保藏以及保藏什么样品一直是一个存在争议的问题,这个问题的答案终究不只将有利于进步研讨质量和新微生物来历的微生物产品的出产,而且也能为保藏期间的农业改动、医疗操作改动和气候改动供应应对办法。相同,也有保证如益生菌等产品长时刻坚持稳定的需求。

有时,维护整个微生物群落是具有科学价值的,例如共生菌及其宿主、根瘤菌及其土壤或地址根系、粪便样本中的肠道细菌,乃至是从天然杂乱群落中取得的富集培育。

保存基因组 DNA 信息能够答应重复研讨以承认成果,并保证研讨的完好性和可重复性,但它只会供应即时信息,并只能为体系中存在的生物体供应依据,而无法供应采样时该生物是否是具有活性的或活泼的信息。

贮存总 RNA 信息将答应转录组评价哪些微生物是有活性和潜在的功用性的。

因而,就现在的技能水平而言,亟需一种存储核酸、“完好的”微生物组样本,乃至是蛋白质提取物和代谢组分的办法。

样品容量是这种办法面对的一个严重应战。贮存很多土壤是不实际的,那么需求多少样品才干代表所评论的微生物组就变得至关重要。

例如,在农业中,某一范畴就包含着不计其数个部分的微生物群落。那么,终究需求多少特定地址和时刻的样本就能够供应实地及其微生物群的实在快照?在精准农业中,咱们正在朝着精细化开展,而且不再依靠大范围中的几个样本。咱们需求计算出能够为咱们供应最合适、最准确信息的样本数量。

此外,跟着时刻的推移,由于处理和保藏操作,会形成微生物呈现基因漂移现象。真核原代细胞系需求考虑基因漂移10。有了微生物组,基因漂移和对物种丰度的影响或许会产生得更快。

因而,评价和优化微生物组样品的保存技能以及研讨低温生物学和可使用代替计划成为一个根本需求。怎么开发保存 DNA 和微生物样本所需的技能,以及确认微生物组样品最佳提取计划等问题的处理最好是经过一个有针对性和相互协作的研讨项目进行。

在历史上,低温保存和冷冻干燥一直是菌类和细菌贮存的首选办法,由于它们保存了生物体的基因组完好性,使其尽或许挨近原始的“未保存的”野生型。可是,假如选用不抱负的保存办法,即便在这些体系中,致病性和其他要害功用特性依然或许会受到影响。

自 20 世纪 60 时代以来,低温保藏一直是贮存微生物样品的“黄金原则”,可是现在关于低温保藏微生物组样品的报导却很少。

Kerckhof 等人评价了甲烷养分共培育、限氧自养硝化/反硝化生物被膜以及人体供体粪便样品的低温保藏计划,并成功保存了群落结构和微生物组功用性。Vekeman 和 Heylen 描绘了混合群落样品的低温保藏办法,该办法是在 -80℃ 的条件下,而非超低温条件。

人们普遍认为,当样品被低温保存时,只要耐低温的细胞才干存活。这关于一个具有多成分的微生物群落体系来说,假如低温贮藏没有得到最佳的使用,就会给这个群落带来意想不到的挑选性压力。保存微生物组组成和功用潜力能够使样本尽或许挨近于开始从田间或宿主分离出来的状况,这是微生物组样品保藏的首要任务。

④ 效果与质量评价

从宏基因组学13到转录组学14等多种办法已被用于评价微生物组的结构和功用。这些办法能够用来评价保存和贮存办法的正确性,但每一种办法都有各自的局限性。

可是,一系列办法的结合,比方 Easterly 等人提出的计划或许是未来趋势。他们运用一种归纳的、定量的宏蛋白质组学办法“metaQuantome”来提醒分类学组成和蛋白质功用在杂乱微生物组中的联络。

最起码,应在保存/贮存之前进行测试以确认微生物组的特征;在保存后进行测试以保证成分和功用的完好性。

⑤ 主张与未来方向

为什么要维护微生物组样本以及什么样的微生物组应该被维护的问题有必要从科学、经济、社会和环境视点具体地加以分析处理。考虑到不同环境中微生物组的多样性和杂乱性,应该共同商定一个优先列表,以完成改善。

最大的技能瓶颈是办法的优化,这首要涉及到微生物组的保藏以及坚持样品微生物组组成和功用方面是否成功的评价办法。

菌种保藏和生物银行之间存在显着的互补性,因而,需求树立相应的办法使两者能够和谐作业,以保证这一要害微生物组研讨范畴得到有用的数据支撑,而这确认基础设施的需求,以衡量欧盟内外部安排或安排需求什么、可用什么或缺失什么。

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