微生物组学（Microbiomics）是研究生物体内外微生物群落结构、功能和动态的科学领域，近来越来越受到科学家的重视。人体微生物组与多种健康状况有关，包括消化、免疫反应和心理健康。微生物组学有助于识别与疾病相关的微生物变化，并开发新的诊断和治疗方法。环境微生物组学有助于揭示微生物的多样性，保护那些对生态系统至关重要但尚未被充分研究的微生物类群。通过理解微生物群落在生态系统中的角色，可以更好地了解和保护生态系统的功能和服务。"微生物暗物质"（Microbial Dark Matter）是指那些在环境中广泛存在，但在实验室条件下难以培养和研究的微生物类群。这些微生物由于无法通过传统的培养方法被获取和研究，因此它们的存在和多样性很大程度上是通过分子生物学技术，如宏基因组学和单细胞基因组学，才得以揭示。在研究微生物暗物质时，宏基因组学（Metagenomics）面临多种挑战，主要包括：
1. 数据组装难度：宏基因组学涉及将大量短读序列组装成较长的连续序列或完整的基因组。由于微生物暗物质中的许多微生物尚未被培养，它们的基因组序列未知，使得组装过程复杂且困难。
2. 基因组分箱（Binning）问题：在宏基因组中区分和重建特定微生物的基因组需要将混合的基因组序列分箱，这个过程可能因参考数据库的不完善或序列相似性低而导致错误。
3. 参考数据库的局限性：现有的微生物参考数据库可能不足以代表所有环境样本中的微生物多样性，这限制了未知微生物基因组的鉴定和注释。
4. 基因预测和注释的准确性：由于缺乏培养的微生物作为参考，预测和注释宏基因组中的基因功能可能不够准确，特别是对于微生物暗物质中的新颖基因和代谢途径。
5. 功能基因的鉴定：在宏基因组数据中鉴定具有特定功能的基因，如参与特定代谢途径的基因，可能因缺乏直接证据而变得具有挑战性。
6. 微生物相互作用：微生物群落中的相互作用，如共生、竞争和捕食，可能影响它们的基因表达和功能，这些复杂的生态关系在宏基因组数据中难以解析。

在研究微生物暗物质时，单细胞基因组学（Single-cell Genomics, SCG）相对于宏基因组学方法提供了一些独特的优势：
1. 直接测序：SCG允许研究者直接从单个细胞中获取基因组信息，无需培养，这对于难以培养或未知的微生物尤其重要。
2. 减少基因组混合：在宏基因组学中，来自不同微生物的DNA序列可能会混合在一起，导致基因组分箱困难。SCG通过分析单个细胞，避免了这种混合，提供了更清晰的基因组信息。
3. 揭示稀有种：SCG可以捕捉到在宏基因组中可能因序列深度不足而被忽略的稀有或低丰度物种。
4. 基因组完整性：单细胞基因组学可以提供更完整的基因组序列，因为它不受其他微生物基因组的干扰，有助于获得更准确的基因组组装和注释。
5. 细胞特异性特征：SCG可以揭示特定细胞类型的基因组特征，包括那些可能在宏基因组分析中被掩盖的细胞间变异。
6. 功能性基因分析：通过单细胞方法，可以更精确地识别和分析功能性基因，如那些参与特定代谢途径的基因。
7. 细胞间相互作用：SCG有助于研究细胞间的相互作用，例如共生关系，这些在宏基因组分析中可能难以观察到。
8. 基因组多样性和进化关系：通过分析多个单细胞的基因组，可以更好地理解微生物群落的遗传多样性和物种之间的进化关系。
9. 实时细胞状态：SCG可以提供关于细胞在被测序时的生理状态的信息，这有助于理解细胞的活性和功能状态。尽管单细胞基因组学提供了这些优势，但它也有自己的局限性，尤其是从样本中对单个微生物细胞进行分离的难度。来自德国卡尔斯鲁厄理工学院和弗莱堡大学的研究团队，首次成功应用了一种新开发的微生物单细胞分离系统B.Sight，用于从污水处理厂的复杂样本中无标记分离单个细菌，展示了该技术在单细胞基因组学和其他下游应用中的潜力。通过该技术，微生物基因组恢复成功率超过80%，并通过16S rRNA基因分析鉴定了50个Patescibacteria/CPR成员。
 

Patescibacteria/Candidate Phyla Radiation (CPR) 是一组在分子水平上独特且之前未知的细菌类群。它们在环境微生物群落中相对丰富，但由于难以在实验室条件下培养，因此对它们的研究相对较少。研究团队运用宏基因组和微生物单细胞基因组技术，研究了酿酒厂废水处理中的Patescibacteria/CPR微生物群落。相对于宏基因组技术，研究团队通过单细胞基因组学获得了27个单一放大基因组（SAGs），这些基因组代表了15个新的Patescibacteria/CPR成员，包括之前未见过的物种、属和科。 文章的结论部分强调了微生物单细胞分离技术作为一种强大的工具，它在探索环境样本中的微生物暗物质方面展现出巨大的潜力。这项技术允许研究者无标记地分离和分析单个微生物细胞，从而能够详细地研究那些难以通过传统培养方法获得的微生物类群。微生物单细胞分离技术的优势在于它能够提供对微生物个体的直接观察和基因组分析，这有助于揭示微生物群落内部的遗传多样性和复杂性。通过这种技术，研究者可以识别和重建那些在宏基因组分析中可能被忽视的稀有或低丰度微生物的基因组。此外，结论部分也强调了结合宏基因组学和单细胞分析的重要性。宏基因组学提供了对整个微生物群落的鸟瞰视角，可以揭示群落成员的整体基因组成和功能潜力。而单细胞基因组学则提供了深入到个体水平的详细视图，有助于理解特定微生物的生物学特性和生态角色。通过这种多维度的研究方法，科学家们可以更全面地理解微生物多样性，包括物种间的相互作用、生态功能以及对环境变化的响应。这种综合分析有助于揭示微生物群落的结构和功能，以及它们在生态系统中的作用。 这篇文章采用的微生物单细胞分离技术就来自德国B.Sight微生物单细胞分离系统，冷泉港生物作为B.Sight在中国区的代理商，提供任何关于B.Sight技术的咨询和服务，欢迎感兴趣的老师们前来咨询。同时，我们也建立了“微生物单细胞基因组学技术交流群”，欢迎大家扫码加入。
 
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