生物信息學在生物防禦中的發展現狀與前景

2018年1月，第四次「中大西洋微生物組會議」（M3）舉行，重點討論生物防禦的最新進展，以及利用宏基因組方法進行病原體檢測的可行性。

會議的主要討論結果及觀點

基於測序的分析經常面臨與「檢測限」和技術偏差相關的挑戰，並且在許多應用中，微生物培養或其他富集策略仍然是必需的。準確定量複雜宏基因組樣本中有活性的微生物或代謝活動仍然是一個開放性挑戰，單靠測序不可能解決。

目前的樣品處理方法傾向於排除微生物群落的病毒和真菌（真核）組分。對病毒而言，分類和資料庫資源不佳會加劇這一傾向。

用於時態數據分析的分析方法、微生物群落標準及軟體已經不足以應付該類數據的快速增長。

強大的生物信息學工具至關重要，必須開發這些工具並進行關鍵驗證，以更好地滿足終端用戶的需求。

數據標準對於確保共享數據集的質量和實用性至關重要，但過於苛刻的要求會阻礙共享。在涉及隱私的情況下，還須開發能夠安全存儲和處理敏感數據的解決方案。

發展現狀

測序技術通常缺乏靈敏度。雖然各種高通量測序方法在生物防禦中發揮了重要作用，但這些方法並不總能達到預期靈敏度。在某些情況下，微生物群落培養仍然是檢測病原體最可靠的方法，因為標準的測序管道並不總是具有可用性，達到所需的測序深度往往成本過高。

缺乏細菌病原體相關研究。大多數微生物組和宏基因組研究僅關注微生物群落中的原核微生物，很少有人研究真菌和病毒在這些微生物群落中的作用。這在很大程度上是由於資源、實驗室程序的限制，以及病毒缺乏普遍分布的標記基因。其他障礙包括從低生物量環境獲取足夠樣本，真菌和病毒對宿主強大的感染能力，不完整的資料庫，以及缺乏可用的濕實驗室方案和計算分析管道。

跨時空追蹤微生物群落。跨時空測序研究提高了對微生物群落變化的解析度，對於檢測疫情和控制疾病爆發非常重要。此外，研究還提供了對環境變化的分析，環境變化可能會引起病媒的轉移或使人類遷移到新的地區（包括人口密集的城市）而導致流行病爆發。

應用前景

宏基因組分析工具的開發和應用是取得進步的關鍵。宏基因組分析所需的計算方法包括分類丰度分析、分類學序列的分類及注釋、功能表徵和宏基因組組裝。M3會議推出了一些新工具，包括「宏基因指南針」（MetaCompass）、「宏基因管道」（MetaWRAP）等。傳統的宏基因組分析通常只能反映複雜樣本中最豐富的元素，無法準確地檢測稀有元素，會議提出了一種更靈敏的單細胞宏基因組學分析法，可實現對微生物群落樣本中所有元素的檢測。

生物信息學工具應更好地滿足終端用戶需求。M3會議認為，應該通過現有的「烘焙」研究或仔細評估現有工具的優缺點，確保使用最好的工具來解決具體問題。工具開發人員應披露其工具的局限性，並就其軟體最適合分析的數據類型給出建議。開發人員還應致力於研發易於下載和安裝的軟體，為其工具提供全面的文檔，並確保學術界的開放訪問權。

生物信息學工具必須更好地權衡速度和準確度。優化速度和準確度對於生物防禦應用至關重要。M3會議討論了許多提高分析速度的不同策略，包括硬體、軟體和演算法選擇。提高分析速度的一些硬體考慮因素包括CPU與協處理器（圖形處理器、現場可編程門陣列）的平衡，伺服器的隨機訪問內存量，或磁碟存儲的類型與速度。

實現數據共享。數據未能共享的原因包括：在共享前需要保護個人身份信息或知識產權，以及缺乏足夠的基礎設施或人力來大規模上傳。為鼓勵數據共享，需完善用於存儲和處理數據的共享資料庫。

來源：美國約翰霍普金斯大學網站/圖片來自互聯網

軍事科學院軍事科學信息研究中心 唐睿

如需轉載請註明出處：「國防科技要聞」（ID：CDSTIC）

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