BioRxiv:單細胞水平檢測腸道微生物

生活在我們腸道中的腸道微生物群在控制新陳代謝和減少肥胖和糖尿病等疾病的風險中起著至關重要的作用。

研究表明，在我們的飲食中添加某些形式的纖維，例如菊粉，能夠促進有益微生物生長並調節其平衡以達到身體健康的目的。然而，在腸道菌群中所有數十萬億種微生物中，很難確定哪種微生物對機體健康至關重要，以及如何對調節膳食纖維以達到上述目的。這是因為目前腸道微生物組學中缺少「參考基因組」的存在，而參考基因組對於通過DNA組學技術鑑定微生物種群類別十分關鍵。

為了解決這個問題，早稻田大學的科學家設計了一種新技術，稱為凝膠珠測序（SAG-gel）單細胞擴增基因組學，該技術可快速提供腸道菌群的多個基因組信息，並鑑定對膳食纖維有反應的細菌，該技術不依賴於現有的參考基因組。此外，由於整個數據均純粹來自單個微生物，因此從全基因組測序的原始數據中獲取基因組信息僅需10分鐘。這大大加快了該過程所需的時間。

「我們的新的單細胞基因組測序技術可以分別獲取每個細菌基因組，並表徵微生物群中具有特定功能的未培養細菌，這可以幫助我們根據細菌的纖維代謝和腸道代謝結果來估計代謝特徵。」文章通訊作者，早稻田大學科學與工程學院助理教授Masahito Hosokawa說。「它引入了對腸道中無法培養的細菌的功能分析。」

在這一研究中，科學家給小鼠餵食菊粉長達兩周時間，之後使用上述技術將小鼠糞便樣品中得到的單個細菌隨機「捕獲」成微小的凝膠珠。然後，將細菌單細胞結合在漂浮在試管中的凝膠珠中進行單獨處理，並通過大規模測序獲得300多個單細胞擴增基因組（SAG）或單細胞基因組。因為每個SAG平均由數以萬計的讀數組成，所以它可以實現廉價的靶細胞全基因組測序。經過質量控制並對SAG進行分類後，科學家確定了哪些細菌負責分解菊粉並從中提取能量。

「根據我們的結果，富含菊粉的飲食增加了小鼠腸道內的擬桿菌屬的活性。此外，從新發現的擬桿菌屬物種的基因組信息中心，我們發現了用於分解菊粉的特定基因簇和用於生產特定短鏈脂肪酸的特定代謝途徑。將來將幫助科學家根據特定菌群的含量與活性來預測膳食纖維的效果。」

資訊出處：Understanding gut microbiota, one cell at a time

原始出處：Rieka Chijiiwa et al,Single-cell genomics of uncultured bacteria reveals dietary fiber responders in the mouse gut microbiota,(2019). DOI: 10.1101/784801