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每天，居住在你消化系统中的数十亿细菌都会发生变化；你吃的食物，服用的药物，以及你接触到的细菌会使一些细菌比其他细菌繁殖得更快
科学家们知道肠道微生物的这种不断变化的平衡与你的健康和疾病有关，但他们很难确定是什么让一种微生物的平衡比另一种更好
在过去的十年里，科学家们通常通过描述细菌的种类和数量来描述一个人的微生物群——在人体肠道中发现的微生物的集合
由凯蒂·波拉德博士领导的一组研究人员
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格拉德斯通研究所发表了两项新的研究，表明监测细菌菌株——而不仅仅是物种——可能会对微生物组提供更好的见解
细菌菌株有点像狗的品种或番茄的品种——同一个物种的不同部分，但又彼此不同
格拉德斯通数据科学和生物技术研究所所长、这两项研究的主要作者波拉德说:“我认为，研究人员仅仅关注微生物的种类，已经错过了很多信息。”
“当我们采取更精细的方法来观察细菌菌株时，我预测我们将开始发现微生物群和疾病之间的因果联系
" 在《自然生物技术》杂志上发表的一项研究中，波拉德的实验室与斯蒂芬·纳法希博士合作
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美国能源部联合基因组研究所的研究科学家，开发了一种新的计算方法，可以比现有技术更快、更经济地分析微生物样本中的细菌菌株
波拉德说，这种新方法将使研究人员能够对微生物群进行比以往任何时候都更大、更精确的分析
在《基因组研究》在线发表的另一篇论文中，波拉德与本杰明·古德博士的实验室进行了合作
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迈克尔·斯奈德博士
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，在5个月的时间里，包括一个抗生素疗程前后的19个不同时间点，追踪一个人微生物群中存在的细菌菌株
他们发现，在某些情况下，一种细菌的丰度在不同时间点之间保持不变，但该物种内的菌株发生了巨大变化
让微生物组有意义 在你的肠道内，细菌可能不仅仅是消化你的食物
事实上，研究表明，与健康人相比，患有炎症性肠病、哮喘、自闭症、糖尿病和癌症等多种疾病的人的消化系统中有不同的细菌
但到目前为止，从这些观察中很少出现针对微生物的治疗方法
由于每种细菌都有自己的遗传密码，科学家们依靠DNA测序来揭示任何给定的人的微生物群中居住着什么细菌
但是由于数据的规模和复杂性，分析DNA序列是困难的
虽然研究人员可以使用现有的方法来确定存在哪些物种，但这些方法只能提供微生物群多样性和功能的部分情况
这是因为单个细菌物种中的不同菌株可能存在显著的遗传差异，这种差异通常大到足以诱发不同的行为
到目前为止，识别微生物样本中的基因差异需要高性能的计算能力和云存储——这是大多数实验室所没有的
研究人员必须使用一种被称为序列比对的技术，将微生物组中数以千计的细菌基因组中的数百万个DNA片段与每种已知微生物的序列数据库进行比较
“分析遗传序列的算法是为人类基因组开发的，”波拉德说，他也是加州大学旧金山分校的教授和陈·扎克伯格生物中心的研究员
“它们对单个生物体基因组测序的挑战非常有效，但对我们同时对成千上万个未知生物体的基因组进行测序的目的却不是这样
" 波拉德和她的同事们知道，在许多细菌物种或菌株中，长的基因组序列是很常见的
因此，这些序列不能用来帮助确定特定的细菌菌株
受仅分析人类基因组中最易变区域的方法的启发，该团队着手从微生物组数据中找出最少量的序列信息，以识别其中包含的菌株
研究人员分析了大约900种常见于人类肠道的细菌的100，000多个公开的高质量基因组
他们在细菌基因组中发现了1.04亿个短的DNA串，这些短的DNA串在不同的细菌菌株之间变化最大
然后，他们利用这些信息设计了一种新的算法，称为原核生物基因组类型(GT-Pro)，该算法搜索微生物组序列数据，寻找与充当细菌菌株标识符的关键字符串的精确匹配
与以前的序列比对方法不同，GT-Pro适合笔记本电脑的内存，不需要高性能计算和云积分
“随着来自肠道微生物组和其他环境的新测序基因组的爆炸，我们现在可以为成千上万个细菌物种创建详细的遗传图谱，”纳法希说
“我们的方法利用这些先验信息快速、全面地识别微生物样本中的遗传变异，而无需进行耗时的序列比对
" 这个研究领域以前受到这样一个事实的限制，即世界上只有少数实验室有资金或计算机硬件来分析菌株分辨率下的微生物组数据
波拉德说:“我们的新算法为每个人打开了大门，让他们能够在个人电脑上达到这种分辨率水平。”
抗生素前后 微生物组研究人员近年来一直在努力回答的一个问题是，随着时间的推移，一个人体内的微生物组发生了多大的变化
这个问题已经在物种层面得到了解决；科学家追踪了人类微生物群的物种组成如何随着饮食、疾病或环境的变化而变化
但结果未能解释当物种组成逐月保持稳定时，微生物群如何获得新的功能，如抗生素耐药性或灭活化疗药物的能力
波拉德和她的同事们想通过分析细菌菌株而不仅仅是物种如何随着时间的推移而变化，在更深层次上深入研究这个问题
他们重新设计了一种为单个人类细胞测序而设计的方法，并将其用于细菌DNA分子的条形码
这使得该小组能够在为期5个月的研究过程中追踪一个人的单个细菌菌株
该团队在5个月内大约每周对一名健康个体的微生物组进行一次测序
在此期间，受试者被意外诊断出患有莱姆病，并接受了为期两周的抗生素治疗——已知抗生素可以消灭多种细菌，包括那些生活在人类肠道中的细菌
斯坦福大学应用物理学助理教授古德说:“我们的假设是，许多微生物会随着抗生素的使用而变得不那么丰富，然后恢复，但最后的微生物群或多或少与开始时的微生物群相似。”
在某些情况下，这是真的——某些种类和菌株的微生物非常有弹性，在5个月的周期开始和结束时基因组几乎没有变化
但在其他情况下，抗生素后出现的菌株在基因上与开始时不同，尽管物种的丰富度没有变化
重要的是，如果研究小组只分析每个微生物样本中存在的物种，这些差异就会被忽略
虽然GT-Pro算法还不能用于这项研究，但波拉德说，这将使未来类似的研究更容易——也更便宜——进行
为微生物研究开辟新的道路 你体内的细菌就像一片丛林——一个有生命的、不断变化的生态系统，生物在微妙的平衡中共存
当从上面看卫星图像时，生态学家可以监测到丛林最深刻、最剧烈的变化，但他们会错过塑造环境的更精细的复杂事物
类似地，那些通过观察物种如何变化来研究微生物组的人已经对这个网络有了更高层次的认识，并且只看到了与健康和疾病最明显的联系
但是有了GT-Pro和微生物菌株的新观点，波拉德说，新的联系将变得明显
波拉德说:“要理解微生物组差异的功能后果，还有很多工作要做。”
“但直到现在，我们还没有合适的测量工具来问这些问题——现在我们有了
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