單細胞基因組學與宏基因組學的挑戰(zhàn)及優(yōu)勢
微生物組學（Microbiomics）是研究生物體內外微生物群落結構、功能和動態(tài)的科學領域，近來越來越受到科學家的重視。人體微生物組與多種健康狀況有關，包括消化、免疫反應和心理健康。微生物組學有助于識別與疾病相關的微生物變化，并開發(fā)新的診斷和治療方法。環(huán)境微生物組學有助于揭示微生物的多樣性，保護那些對生態(tài)系統(tǒng)至關重要但尚未被充分研究的微生物類群。通過理解微生物群落在生態(tài)系統(tǒng)中的角色，可以更好地了解和保護生態(tài)系統(tǒng)的功能和服務。"微生物暗物質"（Microbial Dark Matter）是指那些在環(huán)境中廣泛存在，但在實驗室條件下難以培養(yǎng)和研究的微生物類群。這些微生物由于無法通過傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法被獲取和研究，因此它們的存在和多樣性很大程度上是通過分子生物學技術，如宏基因組學和單細胞基因組學，才得以揭示。在研究微生物暗物質時，宏基因組學（Metagenomics）面臨多種挑戰(zhàn)，主要包括：
1. 數(shù)據(jù)組裝難度：宏基因組學涉及將大量短讀序列組裝成較長的連續(xù)序列或完整的基因組。由于微生物暗物質中的許多微生物尚未被培養(yǎng)，它們的基因組序列未知，使得組裝過程復雜且困難。
2. 基因組分箱（Binning）問題：在宏基因組中區(qū)分和重建特定微生物的基因組需要將混合的基因組序列分箱，這個過程可能因參考數(shù)據(jù)庫的不完善或序列相似性低而導致錯誤。
3. 參考數(shù)據(jù)庫的局限性：現(xiàn)有的微生物參考數(shù)據(jù)庫可能不足以代表所有環(huán)境樣本中的微生物多樣性，這限制了未知微生物基因組的鑒定和注釋。
4. 基因預測和注釋的準確性：由于缺乏培養(yǎng)的微生物作為參考，預測和注釋宏基因組中的基因功能可能不夠準確，特別是對于微生物暗物質中的新穎基因和代謝途徑。
5. 功能基因的鑒定：在宏基因組數(shù)據(jù)中鑒定具有特定功能的基因，如參與特定代謝途徑的基因，可能因缺乏直接證據(jù)而變得具有挑戰(zhàn)性。
6. 微生物相互作用：微生物群落中的相互作用，如共生、競爭和捕食，可能影響它們的基因表達和功能，這些復雜的生態(tài)關系在宏基因組數(shù)據(jù)中難以解析。
在研究微生物暗物質時，單細胞基因組學（Single-cell Genomics, SCG）相對于宏基因組學方法提供了一些獨特的優(yōu)勢：
1. 直接測序：SCG允許研究者直接從單個細胞中獲取基因組信息，無需培養(yǎng)，這對于難以培養(yǎng)或未知的微生物尤其重要。
2. 減少基因組混合：在宏基因組學中，來自不同微生物的DNA序列可能會混合在一起，導致基因組分箱困難。SCG通過分析單個細胞，避免了這種混合，提供了更清晰的基因組信息。
3. 揭示稀有種：SCG可以捕捉到在宏基因組中可能因序列深度不足而被忽略的稀有或低豐度物種。
4. 基因組完整性：單細胞基因組學可以提供更完整的基因組序列，因為它不受其他微生物基因組的干擾，有助于獲得更準確的基因組組裝和注釋。
5. 細胞特異性特征：SCG可以揭示特定細胞類型的基因組特征，包括那些可能在宏基因組分析中被掩蓋的細胞間變異。
6. 功能性基因分析：通過單細胞方法，可以更精確地識別和分析功能性基因，如那些參與特定代謝途徑的基因。
7. 細胞間相互作用：SCG有助于研究細胞間的相互作用，例如共生關系，這些在宏基因組分析中可能難以觀察到。
8. 基因組多樣性和進化關系：通過分析多個單細胞的基因組，可以更好地理解微生物群落的遺傳多樣性和物種之間的進化關系。
9. 實時細胞狀態(tài)：SCG可以提供關于細胞在被測序時的生理狀態(tài)的信息，這有助于理解細胞的活性和功能狀態(tài)。盡管單細胞基因組學提供了這些優(yōu)勢，但它也有自己的局限性，尤其是從樣本中對單個微生物細胞進行分離的難度。來自德國卡爾斯魯厄理工學院和弗萊堡大學的研究團隊，首次成功應用了一種新開發(fā)的微生物單細胞分離系統(tǒng)B.Sight，用于從污水處理廠的復雜樣本中無標記分離單個細菌，展示了該技術在單細胞基因組學和其他下游應用中的潛力。通過該技術，微生物基因組恢復成功率超過80%，并通過16S rRNA基因分析鑒定了50個Patescibacteria/CPR成員。
Patescibacteria/Candidate Phyla Radiation (CPR) 是一組在分子水平上獨特且之前未知的細菌類群。它們在環(huán)境微生物群落中相對豐富，但由于難以在實驗室條件下培養(yǎng)，因此對它們的研究相對較少。研究團隊運用宏基因組和微生物單細胞基因組技術，研究了釀酒廠廢水處理中的Patescibacteria/CPR微生物群落。相對于宏基因組技術，研究團隊通過單細胞基因組學獲得了27個單一放大基因組（SAGs），這些基因組代表了15個新的Patescibacteria/CPR成員，包括之前未見過的物種、屬和科。 
文章的結論部分強調了微生物單細胞分離技術作為一種強大的工具，它在探索環(huán)境樣本中的微生物暗物質方面展現(xiàn)出巨大的潛力。這項技術允許研究者無標記地分離和分析單個微生物細胞，從而能夠詳細地研究那些難以通過傳統(tǒng)培養(yǎng)方法獲得的微生物類群。微生物單細胞分離技術的優(yōu)勢在于它能夠提供對微生物個體的直接觀察和基因組分析，這有助于揭示微生物群落內部的遺傳多樣性和復雜性。通過這種技術，研究者可以識別和重建那些在宏基因組分析中可能被忽視的稀有或低豐度微生物的基因組。此外，結論部分也強調了結合宏基因組學和單細胞分析的重要性。宏基因組學提供了對整個微生物群落的鳥瞰視角，可以揭示群落成員的整體基因組成和功能潛力。而單細胞基因組學則提供了深入到個體水平的詳細視圖，有助于理解特定微生物的生物學特性和生態(tài)角色。通過這種多維度的研究方法，科學家們可以更全面地理解微生物多樣性，包括物種間的相互作用、生態(tài)功能以及對環(huán)境變化的響應。這種綜合分析有助于揭示微生物群落的結構和功能，以及它們在生態(tài)系統(tǒng)中的作用。
這篇文章采用的微生物單細胞分離技術就來自德國B.Sight微生物單細胞分離系統(tǒng)，冷泉港生物作為B.Sight在中國區(qū)的代理商，提供任何關于B.Sight技術的咨詢和服務，歡迎感興趣的老師們前來咨詢。同時，我們也建立了“微生物單細胞基因組學技術交流群”，歡迎大家掃碼加入。
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冷泉港生物科技股份有限公司于1987年在中國臺灣成立，深耕中國市場的精密儀器及試劑銷售30多年，一直致力于將全球生物醫(yī)學前沿技術引入中國市場并獲得獨家代理權，如NanoString、MaxCyte、Fluxion Biosciences、CELLINK、iThera Medical和Phoenix Micron、CYTENA等，助力國內科學研究及轉化醫(yī)學研究。
1. 數(shù)據(jù)組裝難度：宏基因組學涉及將大量短讀序列組裝成較長的連續(xù)序列或完整的基因組。由于微生物暗物質中的許多微生物尚未被培養(yǎng)，它們的基因組序列未知，使得組裝過程復雜且困難。
2. 基因組分箱（Binning）問題：在宏基因組中區(qū)分和重建特定微生物的基因組需要將混合的基因組序列分箱，這個過程可能因參考數(shù)據(jù)庫的不完善或序列相似性低而導致錯誤。
3. 參考數(shù)據(jù)庫的局限性：現(xiàn)有的微生物參考數(shù)據(jù)庫可能不足以代表所有環(huán)境樣本中的微生物多樣性，這限制了未知微生物基因組的鑒定和注釋。
4. 基因預測和注釋的準確性：由于缺乏培養(yǎng)的微生物作為參考，預測和注釋宏基因組中的基因功能可能不夠準確，特別是對于微生物暗物質中的新穎基因和代謝途徑。
5. 功能基因的鑒定：在宏基因組數(shù)據(jù)中鑒定具有特定功能的基因，如參與特定代謝途徑的基因，可能因缺乏直接證據(jù)而變得具有挑戰(zhàn)性。
6. 微生物相互作用：微生物群落中的相互作用，如共生、競爭和捕食，可能影響它們的基因表達和功能，這些復雜的生態(tài)關系在宏基因組數(shù)據(jù)中難以解析。
在研究微生物暗物質時，單細胞基因組學（Single-cell Genomics, SCG）相對于宏基因組學方法提供了一些獨特的優(yōu)勢：
1. 直接測序：SCG允許研究者直接從單個細胞中獲取基因組信息，無需培養(yǎng)，這對于難以培養(yǎng)或未知的微生物尤其重要。
2. 減少基因組混合：在宏基因組學中，來自不同微生物的DNA序列可能會混合在一起，導致基因組分箱困難。SCG通過分析單個細胞，避免了這種混合，提供了更清晰的基因組信息。
3. 揭示稀有種：SCG可以捕捉到在宏基因組中可能因序列深度不足而被忽略的稀有或低豐度物種。
4. 基因組完整性：單細胞基因組學可以提供更完整的基因組序列，因為它不受其他微生物基因組的干擾，有助于獲得更準確的基因組組裝和注釋。
5. 細胞特異性特征：SCG可以揭示特定細胞類型的基因組特征，包括那些可能在宏基因組分析中被掩蓋的細胞間變異。
6. 功能性基因分析：通過單細胞方法，可以更精確地識別和分析功能性基因，如那些參與特定代謝途徑的基因。
7. 細胞間相互作用：SCG有助于研究細胞間的相互作用，例如共生關系，這些在宏基因組分析中可能難以觀察到。
8. 基因組多樣性和進化關系：通過分析多個單細胞的基因組，可以更好地理解微生物群落的遺傳多樣性和物種之間的進化關系。
9. 實時細胞狀態(tài)：SCG可以提供關于細胞在被測序時的生理狀態(tài)的信息，這有助于理解細胞的活性和功能狀態(tài)。盡管單細胞基因組學提供了這些優(yōu)勢，但它也有自己的局限性，尤其是從樣本中對單個微生物細胞進行分離的難度。來自德國卡爾斯魯厄理工學院和弗萊堡大學的研究團隊，首次成功應用了一種新開發(fā)的微生物單細胞分離系統(tǒng)B.Sight，用于從污水處理廠的復雜樣本中無標記分離單個細菌，展示了該技術在單細胞基因組學和其他下游應用中的潛力。通過該技術，微生物基因組恢復成功率超過80%，并通過16S rRNA基因分析鑒定了50個Patescibacteria/CPR成員。
Patescibacteria/Candidate Phyla Radiation (CPR) 是一組在分子水平上獨特且之前未知的細菌類群。它們在環(huán)境微生物群落中相對豐富，但由于難以在實驗室條件下培養(yǎng)，因此對它們的研究相對較少。研究團隊運用宏基因組和微生物單細胞基因組技術，研究了釀酒廠廢水處理中的Patescibacteria/CPR微生物群落。相對于宏基因組技術，研究團隊通過單細胞基因組學獲得了27個單一放大基因組（SAGs），這些基因組代表了15個新的Patescibacteria/CPR成員，包括之前未見過的物種、屬和科。
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