概述

宏基因组学是直接从环境或临床样本中回收遗传物质的研究，绕过了实验室培养的需求。这种方法捕获了微生物群落的全部遗传多样性，包括细菌、古菌、病毒和真菌——其中绝大多数无法在纯培养中生长。通过对从土壤、海水、人类肠道或其他栖息地提取的总 DNA 进行测序，宏基因组学提供了一个不依赖于培养的视角来观察微生物组成、代谢潜力和群落动态。该领域通过揭示地球上微生物多样性的真实程度，彻底改变了微生物学。

方法

宏基因组学工作流程分为两种主要策略。扩增子测序（如 16S rRNA 基因测序）靶向保守的标记基因来分析分类组成。鸟枪法宏基因组学对样本中的所有 DNA 进行测序，实现功能基因分析和基因组解析研究。生物信息学流程执行质量修剪、宿主 DNA 去除和分类学分类，使用 Kraken2、MetaPhlAn 或 Kaiju 等数据库。对于功能分析，读段使用 HUMAnN3 等工具比对到基因目录。更高级的方法使用 MEGAHIT 或 metaSPAdes 等专门组装程序将宏基因组读段组装成宏基因组组装的基因组（MAGs）。然后通过核苷酸组成和丰度对组装的 contig 进行分箱，以恢复近乎完整的基因组。

应用

宏基因组学深刻影响了医学、生态学和生物技术。人类微生物组项目揭示了肠道微生物组成与肥胖、炎症性肠病和糖尿病等疾病之间的密切联系。环境宏基因组学发现用于工业生物技术的新型酶，并监测水和食品微生物学中的微生物群落。在临床环境中，宏基因组学能够实现无偏的病原体检测和细菌遗传学中的抗菌素耐药性基因监测。下一代测序的进展使深层宏基因组测序变得越来越经济实惠，该领域持续扩展。