“输入”菌群就能搜出得啥病 中科院青岛生物所研发出全球首个微生物组大数据搜索引擎

马波展示芯片。搜索引擎已经成为很多人工作生活离不开的工具,新奇的是,人身上取样的细菌群落也能做为“关键词”进行大数据搜索,并且能对比计算出人有可能得什么疾病等。6月21日,记者从中科院青岛生物能源与过程研究所获悉,该所单细胞中心日前研发出全球首个微生物组大数据搜索引擎,将在精准医疗与精准护理、海洋生态保护、生物资源挖掘等诸多领域发挥重要作用。据悉,该中心在单细胞研究领域处于国际领先水平,其活体单细胞拉曼分选仪在国内数首创,而微流控芯片更是将一个偌大的实验室装在了成本只有10元的芯片中,还节省了检测时间。

■链接样本是何细菌激光一照便知

■焦点这么高大上,到底有啥用?

人体诸多部位都定居着特定的菌群,与我们终身亲密相伴,它们统称为微生物组。从一位疑似患者口腔里取样,对其中细菌群落的DNA进行分析,然后放到微生物组大数据搜索引擎中搜索,就会立刻产生若干与结构或功能相似的微生物组,也就是搜索结果。

快捷

10万样品1秒搜索完

“在我们数据库里,出现的前10个跟它相似的样本均来自于牙龈炎患者,这说明这个取样的疑似患者得的很可能是牙龈炎。”6月21日,记者采访获悉,中科院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心研发出国内外首个微生物组大数据搜索引擎。该中心生物信息团队负责人苏晓泉副研究员告诉记者,这个搜索引擎可以在10万个样品中1秒钟内完成搜索,为实时级搜索。

苏晓泉说,谷歌等网络搜索引擎是通过关键词的匹配来实现的,而这个微生物组大数据搜索引擎则更复杂。因为微生物组之间千差万别,需要提取出有效的结构或功能信息再进行匹配。“在样本量大的情况下做到快速搜索,对所有样本进行统一处理是很难的,对此我们建立了一个标准,通过我们研发的软件对微生物组进行解析,再和微生物组数据库进行比对,从而实现高灵敏度、高通量的搜索。”他说,采集一个样品要进行检测,样品很复杂,里面有几百种细菌,比例还不确定,结构很复杂,因此搜索引擎要先建立一个索引,先整理出哪些是要搜索的有用信息,从而很快出结果,做出准确判断。

应用

可知孩子会否得龋齿

那这种技术到底有哪些应用前景呢?其中一大应用就是医疗健康领域。让人吃惊的科研结果是,人身上的细菌是人体细胞的十几倍,与其说人是一个个体,不如说是一个微生物组合而成的超级生命体。“人的很多疾病跟人体微生物组有很大的关系,这种关系不一定是因果关系,但却是高度相关的。”苏晓泉说,最新的研究表明共生菌群变化有可能先于疾病症状表现出来,做好对微生物组的监控,对人的健康、疾病的医疗诊断都很有帮助；如果出现症状再治疗就很不及时了。

单细胞中心博士后黄适拿儿童龋齿举例。单细胞中心2015年发表的研究表明,儿童在还没有发生龋齿时,通过分析其牙齿周围的细菌群落,跟其他龋齿患儿的细菌群落样本进行比对,就能判断出他是不是有可能在未来一段时间内患龋齿,这样就能做到提前预防。这一发现被美国斯坦福大学医学院的独立专家公开评价为是“对儿童龋齿领域的重大贡献”。

■注解小小芯片浓缩了一个实验室

而在该中心微流控团队的实验室,团队负责人马波研究员介绍了他们检测微生物的方式——一个工厂化生产只需要10元钱的小小芯片,就能装下一个实验室的工作任务。

说到这种芯片,跟电脑芯片还是有区别的。“电脑芯片内流动的是数据,而我们这种微流控芯片里面流动的是分子流、细胞流、液体流。”经马波介绍,记者仔细观察发现,这种芯片看上去是透明的,但其中暗藏玄机,一格格、一条条极细小的结构在其中纵横交错,而微生物被液滴包裹后,被小心注入其中,随后就会流动起来。“这种流动是可以控制的,我们通过气体和很薄的膜来实现类似阀门的功能,这样就能控制这种细胞流的流动方向,从而产生千变万化的组合。”他说,目前能做到一张小小的芯片上布设36条流路。

而将这种芯片插入到该团队研发的便携设备中,用安装特定app的手机就能扫描出微生物组的培养结果。这种设备只需要半小时就能出结果,比以前实验室检测不仅大大缩减了体量,还减少了检测时间。“这种检测未来的应用前景非常广阔,食物中毒的致病菌的快速检测等都能快速发挥作用。”马波说,尤其对减少抗生素使用上大有帮助,医生临床诊断时能快速诊断出致病菌,而且测量其耐药性,从而能对症下药,减少抗生素的使用,尤其是广谱抗生素的使用。

中科院青岛生物能源与过程研究所的单细胞中心研究的对象都是人眼看不到的微生物细胞和动植物细胞,要想研究这些“小家伙”可得开发出新的分析仪器,活体单细胞拉曼分选仪就是其中之一。

当日记者走进该中心的实验室见到了这种仪器,比普通的显微镜庞大得多,几乎占据了整个房间,结果在电脑上显示出来是针对每个细胞的类似心电图的光谱图,外行很难从这“天书”中读出任何信息。

据了解,拉曼光谱是一种散射光谱,这种分析仪正是应用了这种拉曼散射效应来实现的。通俗来讲,一束激光照射到一个细胞上时,光线会与细胞里的物质进行能量交换,并发生散射,而分析这些散射光的拉曼光谱,就能分析出这个细胞中某种化学键的存在。“这个峰值代表的是苯环,这说明其中有蛋白质。”

该中心单细胞仪器工程部负责人勾洪磊副研究员指着一幅大肠杆菌的拉曼光谱接着介绍,而他算是能读懂这种光谱的人。他说相同的细菌光谱也会有所差别,但不同细菌的光谱会差别更大,通过比对就能判断出检测的样本是哪种细菌。单细胞中心最新研制的仪器还能把细胞排成队自动通过“安检口”,把感兴趣的细胞分选出来。

“现在很多微生物检测用的是荧光标记,但自然界大部分微生物无法标记；并且这种方式不需要跟以前实验室微生物检测一般,要培养很长时间才能出结果。”勾洪磊说,这种方法的好处显而易见。而这种仪器是目前相关领域国内外最先进的。

文/图本报记者李晓哲

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