為瞭解與人類共生的微生物跟健康與健康之間的關聯，科學家使用總體基因體定序（metagenomics sequencing），藉由直接定序微生物的基因體來鑑定微生物群體，從而得知了大量的資訊。總體基因體定序的研究方固然法增加我們對微生物相（microbiota）的瞭解，但這樣的方式像是僅提供一張快照（snapshot），無從更深入剖析如此高度動態的系統變化。
以色列魏茨曼科學研究所（Weizmann Institute of Science）的研究團隊嘗試提出一個可從定序資料深入分析細菌相生長動態的方法——藉由進一步分析總體基因體定序的序列片段覆蓋率（sequencing read coverage）。這個方法立基於細菌的基因體結構是環狀且僅帶有單一的複製起點（origin of replication）。當細菌要分裂成兩個個體時，DNA會從複製起點開始複製，從起點開始產生另一個DNA複本（copy）。因此在複製期的細菌中，位於複製起點區域的DNA數量會比起離起點末端的DNA來得多。
故此在使用高通量的次世代定序（Next Generation Sequencing, NGS）來定序分裂生長中的細菌序列時，序列片段（read）的分佈會呈現在複製起點較多的情況，形成一個波峰（peak），而離複製起點最遠的末端因該段DNA較少，序列片段則呈現出一個波谷（trough）。通過計算在複製起點附近與與複製起點末端的序列片段比例，會得到一個“波峰-波谷比例”（peak-to-trough ratio, PTR），這個比例可以從序列資料反映該特定菌種的生長速率。
研究人員先使用常見的大腸桿菌，在培養瓶中測試，希望證明PTR值可以確實反映細菌的生長狀況。他們發現不分裂的靜止期大腸桿菌，用定序後DNA序列片段平均分佈於整個基因體（PTR值約=1），而分裂中的成長期大腸桿菌的DNA序列片段則約兩倍多地分佈在複製起點（PTR值約等於2），若在培養瓶中提供不同會改變細菌成長率的條件，PTR也會依據細胞成長率改變，這確定PTR值可以用來準確反映細菌的成長率。為了延伸PTR值的適用範圍，此項研究不只進行體外測試，更分析不同疾病、菌種、老鼠動物模式之下，重複確認了定序結果的PTR值可以妥善地量化多種細菌種類組成的複雜樣本的生長動態。運用PTR值的計算，研究人員重新分析一些先前他人已經做過的從人類糞便樣本來的總體基因體資料組（data set）。藉由PTR值的演算，能迅速發現不同種類的細菌生長動態與一些疾病狀況和代謝異常相關，例如找出腸躁症（irritable bowel disease）與第二型糖尿病樣本中大量複製生長的菌種。
總而言之，這項研究改進總體基因體學的數據分析——用序列片段分佈的演算來準確量化不同樣本中各式細菌種類的生長動態，進而讓我們能藉由總體基因體學的方法，更理解細菌相的動態。
參考資料：
Tal Korem et. al. Growth dynamics of gut microbiota in health and disease inferred from single metagenomic samples. Science (2015) doi:10.1126/science.aac4812
圖片來源：
http://goo.gl/JVbDwQ
撰文│陳恩浩
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