Технологии секвенирования нового поколения (NGS) для исследования микроорганизмов

Применение секвенирования нового поколения (NGS) в микробиологии позволяет достигнуть нового уровня в понимании того, как микробы воздействуют на людей и окружающую среду.

Благодаря высокой производительности секвенаторов Illumina теперь Вы можете изучить генетическое строение организмов, которые ранее изучить было невозможно.

Методы секвенирования микроорганизмов

Анализ микробиома человека

Анализ микробиома человека ― это изучение микробных сообществ, обнаруженных в организме человека и на нём. Целью исследований микробиома человека является понимание роли микробов в его здоровье и заболеваниях.

Традиционно изучение образцов кожи, кала или крови человека основывалось на трудоёмких микробиологических техниках выращивания и выделения отдельных организмов, за которыми следовал фенотипический или генотипический анализ. Этими методами было невозможно профилировать микробные сообщества в рамках одного образца.

Появление секвенирования нового поколения (NGS) позволило реализовать несколько значимых совместных проектов, в том числе проект «Человеческий микробиом» и MetaHIT, в ходе которых было получено множество данных о микробиоме человека с использованием NGS в качестве основополагающего метода. NGS является экономичным методом с высокой скоростью обработки данных, что позволяет изучать геномы целых сообществ, в том числе организмов, неподдающихся культивированию.

Видео по теме

Надзор за распространением инфекционными заболеваниями

Геномика расширяет наше понимание эволюции патогенов, взаимодействия хозяин-патоген и устойчивости к антибиотикам. Геномика трансформирует современный эпиднадзор за инфекционными заболеваниями и методы, с помощью которых специалисты общественного здравоохранения работают над защитой от эпидемий и пандемий массово распространённых заболеваний, таких как туберкулез, ВИЧ и грипп. 

Современные методы изучения возбудителей инфекционных заболеваний включают тестирование на основе антител, real-time PCR, гель-электрофорез в пульсирующем поле (PFGE) и мультилокусное секвенирование (MLST). Эти методы обычно применимы для изучения только небольшого количества определенных организмов, и анализ данных может быть субъективным.

Секвенирование нового поколения (NGS) ― это универсальный метод, который можно использовать при изучении и вирусов, и бактерий, и паразитов. NGS может заменить сразу несколько методов и предоставляет высокоточные данные, позволяя различать штаммы патогенов, которые отличаются всего на один SNP.

Технология NGS от Illumina позволяет быстро получить данные высокого качества, которые специалисты по инфекционным заболеваниям будут использовать для выявления, отслеживания и реагирования на вспышки.

Секвенирование полных геномов микроорганизмов является основным методом эпиднадзора за инфекционными заболеваниями.

Видео по теме

Метагеномика окружающей среды

Метагеномика окружающей среды ― это изучение микроорганизмов на основе анализа ДНК в образцах окружающей среды.

Примеры включают профилирование популяций микроорганизмов в образцах воды, взятых из глубоких океанских впадин или в образцах почвы из среды, преобразованной в следствии действий человека, таких, например, как активные добычи минералов. Данные исследования метагеномики окружающей среды используются для анализа сельскохозяйственных микробиомов, востановления экологии или других биологических исследований.

Метагеномика окружающей среды как исследовательское поле была крайне ограничена до появления секвенирования нового поколения (NGS). NGS предоставляет исследователям возможность профилировать любые микробные сообщества, открывать новые организмы и исследовать микробные популяции в динамике..

Видео по теме

Молекулярная эпидемиология

Молекулярная эпидемиология позволяет изучать генетическую структуру популяций микроорганизмов для выяснения причин возникновения эпидемически-значимых патогенов, путей его распространения и передачи, источник инфекции. Она также используется для установления генов, ответственных за вирулентность и лекарственную устойчивость.

Традиционные способы идентификации и исследования патогенов основаны в основном на методе последовательных гипотез и подходят для изучения ограниченного числа организмов.

Секвенирование нового поколения (NGS) осуществляет высокоточный анализ множественных изолятов, может заменять несколько тестов для идентификации организма и изучения лекарственной устойчивости и вирулентности одновременно. Высокоточное типирование патогенов с использованием данных полногеномного секвенирования может различать организмы, которые многие современные методы различить не могут.

Ключевым преимуществом NGS является то, что исследователи могут получать данные секвенирования генома, способные идентифицировать ряд организмов (бактерии, вирусы и паразиты). Изучение вариаций в геномах проводится методом кросс-секционного, межгруппового исследования поперечного сечения для лучшего понимания механизмов, которые приводят к инфекции и её распространению, а также филогенетического анализа для определения родства между организмами.

Основным методом молекулярной эпидемиологии является секвенирование полных геномов микроорганизмов.

Видео по теме

Исследования микробиома для лечения рака

Микробы, живущие в человеке, могут влиять на прогрессирование рака и эффективность лечения. Диета и лекартсва могут нарушать многообразие микробиома, а определённые микроорганизмы в микробиоме могут вызывать локальные или системные воздействия на иммунитет хозяина.

Мы надеемся, что в будущем лечение может сочетать существующие методы лечения рака с методами поддержания полезных микробов или устранения вредных. Поскольку исследования, основанные на NGS, продолжают исследовать взаимодействия хозяина и его микробиома, Illumina разрабатывает геномные технологии в этой области.

Методы NGS произвели революцию в изучении микробиома. При использовании NGS не нужно проводить культивирование или клонирование отдельных организмов. NGS позволяет проводить одновременный анализ тысяч видов в микробном сообществе. В дополнение к этому, развитие биоинформатических инструментов для управления большими объемами новых данных позволяет точно оценить видовое разнообразие и измерение динамических колебаний микробных сообществ.

Анализ микробиома для лечения рака

Методы секвенирования микроорганизмов

16-S метагеномика

16S-метагеномика является распространённым методом секвенирования ампликонов вариабельных регионов гена 16S-рРНК, используемых для идентификации и сравнения бактерий, присутствующих в изучаемом образце. 16S-метагеномика является хорошо известным методом изучения филогении и таксономии образцов из сложных микробиомов или сред, которые трудно или невозможно изучать другими методами.

В отличие от капиллярного секвенирования или основанных на ПЦР подходов, секвенирование следующего поколения (NGS) является культуронезависимым методом, который позволяет проводить анализ всего микробного сообщества в изучаемом образце. Благодаря возможности объединить множество образцов в одном запуске, микробиологии могут использовать 16S-метагеномику на основе NGS в качестве экономически эффективного метода для выявления штаммов, которые не могут быть обнаружены с использованием других методов.

Illumina предлагает продукты для 16S-метагеномики: от подготовки образцов и библиотек до анализа и интерпретации данных.

Видео по теме

Шотган-метагеномика

Шотган-метагеномика позволяет исследователям получить генетические данные обо всех организмах, присутствующих в изучаемом объединённом образце. Этот метод позволяет микробиологам изучать разнообразие бактерий и обнаруживать обилие микробов в различных средах. Шотган-метагеномика также позволяет изучить микроорганизмов, неподдающихся разведению, которых трудно или невозможно анализировать другими методами.

Видео по теме

Анализ транскриптома микроорганизма

Информация о транскриптоме и метатранскриптоме микроорганизмов важна для прогнозирования устойчивости к конкретным антибиотикам, понимания иммунных взаимодействий хозяина-патогена, количественного определения изменений экспрессии генов и отслеживания прогрессирования заболевания. Секвенироваание следующего поколения РНК бактерий, вирусов и других микробов стало стандартным методом анализа информации транскриптома и метатранскриптома.

Транскриптом представляет собой полный набор РНК, кодируемых геномом организма. Метатранскриптом ― это все РНК, кодируемые группой организмов в объединённом образце.

Полногемное секвенирование микроорганизма

Секвенирование полных геномов микроорганизмов используется для картирования геномов новых организмов, финализации имеющихся сборок геномов известных организмов или сравнения геномов в нескольких образцах. Секвенирование полного генома микроорганизма помогает при построении референсных геномов, для идентификации микроорганизмов и других сравнительных геномных исследований.

• Секвенирование геномов микроорганизмов De Novo
  Секвенирование полного генома De novo предполагает сбор генома без использования референсного генома и часто используется для секвенирования геномов ранее неисследованных микрооргазмов. Секвенаторы Illumina обеспечивают высокую точность, оптимальную длину и глубину прочтения для получения высококачественных данных о геномах микроорганизмов.
• Повторное полногеномное секвенирование микроорганизмов
  Повторное полногеномное секвенирование включает в себя секвенирование полного генома бактерии, вируса или другого микроорганизма и сравнение последовательности с последовательностью известного референса. Быстрое получение точной информации о последовательности генома имеет решающее значение для обнаружения редковстречающихся мутаций, определения ключевых делеций и инсерций и обнаружения других генетических изменений среди микробных штаммов.

Видеоссылки