在過去十年中，核酸測序和質(zhì)譜技術(shù)的進(jìn)步使得能夠geng快速，geng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)，zui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)對地球上的很多關(guān)鍵功能，例如碳和營養(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)為存在的萬億微生物中有99％還沒有被發(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。

核酸測序

核酸測序技術(shù)的速度和通量的驚人增長促進(jìn)了微生物研究進(jìn)展。特別是下一代（NextGen）測序有了ge命性的發(fā)展，它們已經(jīng)超過了近三十年（1977年至2005年）占主導(dǎo)地位的傳統(tǒng)Sanger測序方法。使用基于Sanger雙脫氧核苷酸的連鎖終止方法對單個(gè)細(xì)菌基因組進(jìn)行測序以前是一項(xiàng)需要多年才能完成的重大努力。使用Sanger方法*測序的第1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)菌基因組測序。

單分子測序技術(shù)

新興測序技術(shù)包括基于單分子的DNA測序儀可以geng快的進(jìn)行微生物基因組的研究。一個(gè)例子是來自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)，以通過少量液體引導(dǎo)光能。 PacBio目前提供長度為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測序平臺(tái)是另一個(gè)新興和有希望的單分子測序儀。與目前的平臺(tái)不同，牛津平臺(tái)不依賴于合成測序，而是通過穿過Nanopore直接對核酸分子進(jìn)行排序。 Oxford Nanopore可以檢測到像PacBio platorm的DNA修飾，平均讀取長度為?1-2 kbp，以及任何測序儀（> 90 kbp）提供的zui長讀取長度。牛津Nanopore測序器的主要優(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)使用無線技術(shù)進(jìn)行分析。

測序復(fù)雜微生物群落

DNA測序技術(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自NextGen測序的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yong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測序總mRNA（即，metatranomics）揭示哪些基因被表達(dá)通過空間和時(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)錄組來確定英吉利海峽海洋微生物群的季節(jié)性表達(dá)模式。zui近，我們使用Metatranomics來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)測量

雖然DNA測序的進(jìn)展使得能夠geng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)物的測量主要通過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，zui后檢測，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)測量。

1984年電噴霧電離（ESI）的引入大大增加了MS測量用于評估的效用。 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。這種壓力差異超過九個(gè)數(shù)量級，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geng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geng高的分辨能力，geng為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。orbitrap技術(shù)在過去十年的進(jìn)步包括geng高分辨率的測量和geng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。zui大分辨率和MS掃描速度過去15年顯示，這兩個(gè)特征都已被優(yōu)化，以便在每個(gè)測量中獲得*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geng高的覆蓋范圍。