NGSにより明らかになりつつある微生物の不思議な世界
研究者たちは、人間の健康、疾患、および微生物の進化をさらに深く理解するために微生物のゲノムを調べています。
NGSにより明らかになりつつある微生物の不思議な世界
はじめに
人体には目に見える以上のものがあります。私たちの体の細胞ではなく微生物の細胞が何兆個も含まれているのです。研究者たちは、これらの微生物が人間の健康や疾患において重要な役割を果たしていることを発見し始めています。しかし、人体だけに微生物が生息するわけではありません。微生物は文字通りそこら中にいます。私たちの腸、家、海、そして土壌などに生息しています。この広大な微生物の世界は長い間、過小評価されていました。科学者たちは今、次世代シーケンス（（荷兰）の力を借りて、この計り知れないミクロの世界を徹底的に調査しています。
これが菲利普·雨根霍尔茨博士（（博士）の研究の中心です。博士は澳大利亚生态基因组学中心（ACE）のディレクターおよびクイーンズランド大学化学・分子生物学部の教授であり、微生物ゲノミクス会社である微生物の共同設立者です。博士は、クイーンズランド大学での研究を通して、私たちの体内と環境中に存在している「微生物ダークマター」の解明を目指しています。NGSにより、博士とチームは微生物系統樹を分類することができました。博士が設立した微生物は、人間の腸内マイクロバイオーム（微生物叢）を迅速かつ精確に解析するために、NovaSeq 6000システムでのショットガンメタゲノムシーケンスを用いてその取り組みを拡大しています。詳細な微生物ゲノムデータにより、微生物の顧客は自身の体と健康についてより深く理解し、腸内環境の経時的な変化を追跡することができます。マイクロバイオーム検査はまだ新しいものですが、博士は個別化マイクロバイオーム検査がいつか近いうちに日常的医療の一部となり、「血液検査のように年に一度実施されるものになるかもしれない」と考えています。
iCommunityは，遗伝子シーケンステクノロジーと微生物学における进歩，微生物系统树，Microba，およびヒトのマイクロバイオームに关する研究，さらにメタゲノム研究の将来についてHugenholtz博士にお话を伺いました。
质问：先生はなぜ微生物学を専攻することにしたのですか？
菲尔Hugenholtz（以下，PH）：私が小さかった頃、湖の生物を顕微鏡で観察するプロジェクトを行いました。湖水の堆積物の中に非常に多くの生命体がうごめいているのを見ることができて非常に驚いたことを覚えています。私は尺度という考えを非常に面白いと思いました。尺度をいくぶん拡大あるいは縮小しただけで、まったく違う世界がありました。
质问：先生の研究の焦点を教えてください。
PH值:私の研究は、微生物群を培養せずに調べる方法を中心としています。歴史的に、ほとんどの微生物学は微生物を寒天プレートや液体培地上で増殖させることに依存しています。しかしこれは、生物をそのゲノムシーケンスで表すことができるようになった1980年代中期から後期に変わらざるを得なくなりました。これが生物学における大きなターニングポイントだったのです。私たちは莫大な数の生物のほとんどに気付いていませんでした。シーケンスのおかげで、調べている微生物を同定することができるようになり、生物がどのように異なっているかを理解できるようになりました。
質問:過去20年間で細菌同定方法やツールはどのように変化しましたか吗?
PH值:1970年代初め、シーケンステクノロジーはまだ初期段階にあり、非常に大きな挑戦でした。研究者たちはリボソームのサブユニット16S rRNAをターゲットにしました。その配列を使って生物を相互に関連付けることができたからです。その長さはわずか1,500塩基対です。現在の基準では、シーケンスするには取るに足らない量の脱氧核糖核酸です。しかし、1970年代では非常に大きな仕事であり、莫大なコストと莫大な時間がかかりました。これらの分子をシーケンスし、お互いの配列と比較することで、生物がお互いにどの程度関連しているかを客観的に判断することができました。
「未培養生物である場合、新しい生物であるかどうかを16S rRNAから知ることができます。全ゲノムをシーケンスすれば、その生物が持つその他すべての遺伝子を調べることができます。そのおかげで、経路を調べ、微生物の潜在能力を推測することができます。」
質問：ショットガンメタゲノムシーケンスはなぜ16S rRNAシーケンスよりも有用なのですか？
PH值:的16S rRNAだと，シーケンスするのは1つの遗伝子です。ショットガンメタゲノムだと，全ゲノムを高解像度でシーケンスできます。未培养生物である场合，新しい生物であるかどうかを的16S rRNAから知ることができます。全ゲノムをシーケンスすれば，その生物を単离していなくても，その生物が持つその他すべての遗伝子を调べることができます。そのおかげで，経路を调べて，微生物の潜在能力を推测することができます。」好気性なのか？光合成遗伝子を持つのか？硫黄呼吸ができるのか？その遗伝情报から生物がどういったことをできるのかを推测することができます。また，さらに详细な进化系统树を作成することもできます。
質問：NGSテクノロジーの発達により先生の研究はどのように前進しましたか？
PH值:NGSは私の研究に大きな変化をもたらしました。昔のシーケンステクノロジーは高価で、何が起こっているのかを限定的にしか見ることができませんでした。NGSのおかげで、生物の遺伝情報を生物群内で解析し、より複雑な環境からゲノム配列を取得することができます。私たちは、シーケンスを使用して生態系から何百ものゲノムを得ることができるという、微生物学や生物学において素晴らしい時代にいるのです。
质问：ハイスループットショットガンメタゲノムシーケンスを実施するためにNGSの使用を开始したのはいつですか？
PH值:私は、ショットガンシーケンスを微生物群の研究に先駆けて使用した2.つのラボに所属できて幸運でした。2001年にカリフォルニア大学バークレー校の吉尔·班菲尔德博士のラボに参加したとき、ショットガンメタゲノミクスの使用を開始しました。班菲尔德博士は微生物学者ではなく地質学者でしたが、研究のために微生物群を特性解析することに関心がありました。班菲尔德ラボで、私たちは初めてのショットガンメタゲノミクス研究を実施しました。微生物群をショットガンシーケンスしてゲノムを取得し、構成要素である群内微生物の代謝再建築を行うことができるということを初めて実証しました。
班菲尔德博士のラボで過ごした後、数年間はアメリカに残りました。その後、カリフォルニア州胡桃溪にある雌鹿施設である联合基因组研究所のメタゲノムプログラムに参加しました。そこで得たポジションのおかげで、NGSを初期に導入する機会が得られました。最初のNGSシステムは罗氏454システムで、このシステムのおかげでシーケンス出力が1.年で3.倍になりました。
イルミナ基因组分析仪システムはその1年后に导入され，私たちのシーケンス出力は前年と比べて10〜20倍になり，それは素晴らしいことでした。それ以降はイルミナのNGSシステムを使用してきました现在，大学では研究用にNextSeq 550システムを使用しています.MicrobaにはNovaSeq 6000システムがあります。このシステムは非常に良好に稼働しており，信頼できるデータを大量に生み出しています。
「嗯」のおかげで、生物の遺伝情報をその生物群内で解析し、より複雑な環境からゲノム配列を取得することができます。」
質問：現在、微生物系統樹を作成するためにショットガンメタゲノムシーケンスをどのように使用されていますか？
PH值:ショットガンメタゲノムを使用して全ゲノムを調べており、見事な種レベルの解像度が得られています。実際、亜種の解像度を得ることもできており、これは重要な利点です。
现在の生物の分类体系には多くのエラーが含まれています。元の分类体系は，シーケンス解析前に増殖可能なものに基づいていました。多くの生物は特徴的な形态型により分类されました。例えば，クロストリジウム（梭菌）に分类される细菌はたくさんあります。これらの细菌は杆状であり，胞子を产生できるからです。しかしながら，これらの生物の遗伝子を见てみると，多くが非常に异なっており，お互いに关连していません。したがって，かなりの数の生物が误分类されています。
クイーンズランド大学の私のチームは，全ゲノムデータを用いた微生物分类系の改善にほとんどの时间を费やしてきました。细菌ドメイン内で良好に保存されている120の遗伝子に注目して，それらに基づいた微生物系统树を作成しました。この系统树の解像度は，过去に我々が作成した分类体系よりも高くなっています。
质问：Microbaを创设した理由を教えてください。
PH值:基因泰森博士と私はACEを設立し,分子ツールキットを使用してさまざまな微生物生態系を調べることに成功しました。私たちは,ショットガンメタゲノムを使用すれば腸内マイクロバイオームプロファイリングを高い解像度で行うことができるのではないかと気付きました。当時,それを商業的に行っている人がいなかったため,Microbaを設立することにしました。私たちのミッションは,ショットガンメタゲノムの応用と顧客向け腸内マイクロバイオームの高解像度画像を取得することです。
質問：なぜヒトの腸内マイクロバイオームを理解することは重要なのですか？
PH值:私たちの体内にいる微生物の大半は肠内にいます。肠内マイクロバイオームは，私たちがこれまで考えていたより私たちの健康に大きく关与していることが复数の研究から判明しました。それは，人间の健康の见张り番と言えるものです。微生物は，私たち自身では分解することのできない食物繊维を分解して肠内细胞の饵となる短锁脂肪酸を作り出し，代谢プロセスの制御に役立ち，遗伝子発现にまで影响を及ぼすことができます。1-2私たち人间が使用している主な神経伝达物质の1つであるセロトニンは，主に肠内で产生·消费されており，体内の微生物の影响を受けます。3.また，慢性うつ病のある人の肠内マイクロバイオームプロファイルは健康な人とは异なっていることを示す情报も得られています。4.
相関解析はこれまでにも行われていますが、この分野における主な批判は因果分析があまり行われていないことです。しかし、現在ではオンライン上で発表されてきており、動物モデルにおいて因果関係を証明する著名な例がいくつかあります。今後2～3年で、この研究はヒトを対象としたものになっていくでしょう。
「Microbaでサンプルを受け取ったら，自动プロセスによりDNAを抽出し，NovaSeq 6000システムでサンプルのシーケンスを行い，サンプル当たり5ギガバイトのデータを生成します。」
質問:先生の腸内マイクロバイオーム検査プロトコールに挥动はどのように取り入れられているのですか吗?
PH值:私たちの最初の製品は洞察力取样工具包です。お客様はオンラインで契約し,糞便サンプル採取キットを郵便で受け取ります。糞便サンプルは,腸の下部で何が起こっているのかを示してくれます。微生物が高い割合で含まれているため,微生物DNAの抽出が簡単です。Microbaでサンプルを受け取ったら,自動プロセスを使用してDNAを抽出し,NovaSeq 6000システムでサンプルのシーケンスを行い,サンプル当たり5ギガバイトのデータを生成します。
糞便サンプル中の微生物多様性の大部分を表すリファレンスゲノムのデータベースを作成しました。シーケンスリードをこのリファレンスゲノム上でマッピングします。可能な限り高速にするために自動化したバイオインフォマティクス解析パイプラインでデータを処理します。解釈済みの情報は、お客様がログインして結果を確認できるようにウェブサイトにアップロードします。
質問：ショットガンメタゲノムシーケンスを実施するために、なぜNovaSeq 6000システムを選択したのですか？
PH值:イルミナはここ数年間、市場をリードしています。NovaSeq 6000システムは、現時点で最も完成したNGSテクノロジーを備えており、非常に高い信頼性があります。スタートアップ企業である私たちには、サンプル数の増加に対応して簡単に拡張でき、充実したテクニカルサポートのあるクラス最高の信頼できるプラットフォームが必要でした。イルミナはこのすべての条件を満たしていました。
質問：微巴洞察力検査にかかる時間を教えてください。
PH值:サンプルをバッチにして、ハイスループットのNovaSeq 6000システムでは、92サンプルを2～3日でシーケンスできます。バイオインフォマティクス解析は48時間で完了します。ですからランに十分な数のサンプルが集まれば、サンプルからデータまでの所要時間は非常に短いです。サンプルキットの発送とサンプルの返送にかかる時間により、プロセスの時間は長くなります。
質問:シーケンスデータは,どのようにしてお客様が理解できるレポートに変換されるのですか吗?
PH值:莫大な量のデータセットが得られるため,分かりやすい解析レポートを作成することが重要な課題となっています。私たちは,いわゆる科学者ではないお客様と関わっています。そこで2層のレポートを作成しました。このレポートでは主な結果を先にハイライトし,非常にシンプルな形にしています。機能情報を提供し,全顧客集団に対する結果を示すことができます。特定の生物が大量に存在する場合や重要な機能遺伝子が減少している場合など,標準から離れたデータにはフラグを付けます。文献では,短鎖脂肪酸である酪酸5.や菌体内毒素であるリポ多糖6.を産生する遺伝的潜在能力など、いくつかのことが健康と関連付けられているため、そのデータも提供します。関心のある方には、もう1.つのレポート層も提供します。このレポートには微生物群構造と機能情報が詳細に記載されています。お客様にはお電話で微生物マイクロバイオームコーチとお話していただくことも可能です。マイクロバイオームコーチはお客様と共にプロファイルを見直し、データについて一通り説明し、結果が何を意味しているのかを説明します。
现在私たちができることは，食事に关するご提案をして，食事，肠内微生物丛，そして健康がどのように结びついているかを理解していただくことです。将来的には，临床的に検查されたプレバイオティクスやプロバイオティクス，または个人の肠内マイクロバイオームプロファイルに基づいた微生物制品の提供が可能になるはずです。
「特定の遗伝子プロファイルをもつ个人では特定の薬剤がより效果的であるのと同じように，薬剤もマイクロバイオームに対し特异的なものになると想像しています。」
质问：今后10年でメタゲノム研究はどのような方向に进むと思いますか？
PH值:着しく成长するのは，微生物プロファイルと遗伝子プロファイルを组み合わせる领域だと思われます。特定の遗伝子プロファイルをもつ个人では特定の薬剤がより效果的であるのと同じように，薬剤もマイクロバイオームに対し特异的なものになると想像しています。宿主とマイクロバイオームの遗伝型がどのように调和しているかを理解することが，个别化医疗の强力な侧面となると考えています。
検查に关しては，将来的には一般开业医から肠内マイクロバイオームプロファイルを取得するようになるのではないかと想像しています。血液検查のように年に一度実施されるものになるかもしれません。今のところ，肠内マイクロバイオーム検查は目新しいものとして见られていますが，ある意味そのとおりです。しかしながら，このような検查でもこれから5〜10年后には一般的な検查となると信じています。
质问：今后5年间のMicrobaでの目标は何ですか？
PH值:时系列サンプリングを导入する予定です。それによりお客様はご自身の肠内マイクロバイオームの経时的変化を追迹することができます。例えば，ダイエット中の人の场合，さまざまな时点のデータを比较することで，食事が肠内マイクロバイオームを経时的に変化させているのか确认することができるでしょう。
肠内マイクロバイオーム検查をさらに多くの方々に受けていただけるようにするため，国际市场への进出と価格の引き下げに集中的に取り组んでいます。中にはご自身のデータを科学的研究に使用することを许可してくださるお客様もいらっしゃいます。个别化医疗の将来に贡献し，企业の価値を高めるため，潜在的治疗法特定のためのメタゲノムデータのマイニングに取り组んでいます。将来的には，口腔マイクロバイオームや皮肤マイクロバイオームなど，その他の重要なヒト微生物群に关する検查を开発することも视野に入れています。
このインタビューに登场するシステムについての详细は，以下のリンクからご覧いただけます：
参考文献：
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