在過去十年中，核酸測序和質(zhì)譜技術的進步使得能夠geng快速，geng有信息地進行宏基因組，轉(zhuǎn)錄組，蛋白質(zhì)組學和代謝組學的分析。在這里，我們回顧了多環(huán)境和人類微生物多組學分析的關鍵，討論了為了解決當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終占領了地球生物圈的每個位置。雖然已知微生物負責對地球上的很多關鍵功能，例如碳和營養(yǎng)循環(huán)，以及決定地球植物和動物的健康和疾病，但目前認為存在的萬億微生物中有99％還沒有被發(fā)現(xiàn)。此外，由于復雜的微生物群體多樣性導致研究微生物群體中特定的功能變得非常復雜，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）。幸運的是，過去幾十年的技術進步大大促進了復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）分析相關的進展，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

核酸測序技術的速度和通量的驚人增長促進了微生物研究進展。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細菌基因組進行測序以前是一項需要多年才能完成的重大努力。使用Sanger方法*測序的第1個細菌基因組是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，現(xiàn)在可以在幾個小時內(nèi)完成細菌基因組測序。

單分子測序技術

新興測序技術包括基于單分子的DNA測序儀可以geng快的進行微生物基因組的研究。一個例子是來自PacBio的單分子實時（SMRT）技術，其依賴于拴住的DNA聚合酶和零模式波導，以通過少量液體引導光能。 PacBio目前提供長度為10-25 kbp的DNA序列讀數(shù)和每個SMRT小室?300 Mbp。由于使用束縛聚合酶，PacBio平臺可以檢測異常由于聚合酶的擺動，可以直接讀取DNADNA修飾情況。牛津Nanopore測序平臺是另一個新興和有希望的單分子測序儀。與目前的平臺不同，牛津平臺不依賴于合成測序，而是通過穿過Nanopore直接對核酸分子進行排序。 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)點是其拇指大小，可以在個人實驗室電腦上用實時使用無線技術進行分析。

測序復雜微生物群落

DNA測序技術的改進使許多發(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。大部分關于微生物的信息都來自NextGen測序的16S rRNA基因作為細菌和古細菌的系統(tǒng)進化標記。另外，總DNA（即基因組學）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

Metatranomics測序總mRNA（即，metatranomics）揭示哪些基因被表達通過空間和時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)中的表達知識，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)性表達模式。zui近，我們使用Metatranomics來推斷土壤基因組中哪一個識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在驗證宏基因組學和了解微生物群落不同成員的相對活動方面的效用。

基于質(zhì)譜法的蛋白組學和代謝組學測量

雖然DNA測序的進展使得能夠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）和代謝物質(zhì)（即代謝組學），以及擾動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)組學或代謝組學測量。

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數(shù)量級，如果源和質(zhì)量分析儀區(qū)域耦合不好，則會發(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)域的界面設計，以重新聚焦離子，同時不斷降低壓力。這些領域的改進導致離子損失減少和靈敏度geng高。然而，分析復合微生物中的生物分子由于高動態(tài)范圍和給定樣品中存在數(shù)千個組分，MS仍然非常困難。這些挑戰(zhàn)需要在分辨率，精度和MS / MS速度方面改進質(zhì)量分析儀。四極桿，離子阱，飛行時間和離子回旋共振（ICR）質(zhì)譜分析儀構成了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技術為實驗室提供了geng高的分辨能力，geng為經(jīng)濟實惠。orbitrap技術在過去十年的進步包括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，這兩個特征都已被優(yōu)化，以便在每個測量中獲得*的生物分子覆蓋和準確性。然而，由于微生物組織樣品的復雜性，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來增加鑒定的蛋白質(zhì)和代謝物的數(shù)量。這些分離技術在檢測前降低了樣品的復雜性，由于每個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。