2016年6月15日
細菌やウイルスなどの微生物は、ヒトの健康の多くの側面と密接に関連しています。食べる食品の消化に役立ちます。微生物は、私たちが飲む水質の指標です。また、呼吸する空気中に病気が広がることもあります。イルミナのゲノムテクノロジーを使用して、研究者は、かつては高解像度で研究することが不可能であった生物の秘密を解明し、臨床微生物学、産業微生物学、およびヒトと動物の健康と疾患に関する洞察を提供しています。
基礎研究
イルミナの次世代シーケンサー（NGS）テクノロジーの多くのアプリケーションと同様に、細菌、ウイルス、その他の微生物の遺伝学の理解は基礎研究から始まります。このビデオで説明されているゲノム技術とアプリケーションは、研究者が参照ゲノムを開発し、生物の特性化と比較を容易にする力を与えます。また、このテクノロジーにより、研究者は微生物コミュニティの多様性を同定し研究することができます。次世代のゲノム技術の開発前は、機能特性、進化、微生物コミュニティ内での相互作用に関する多くの基本的な疑問は解決できませんでした。
Metagenomics
シーケンスベースのメタゲノミクスアプローチは、特定の環境またはサンプルに存在するすべての生物とその存在量を調べるために使用できます。
このタイプの研究の非常に活発な分野は、腸内微生物叢とヒトの健康との間の相互作用を調べることです。健康な腸または機能不全の腸の特徴（およびあるカテゴリーから別のカテゴリーへとどのように移動するか）について理解を深めることで、新しい発見がライフスタイル、食事、病気の関係を理解するのに役立つことが期待されています。American Gut Projectは、この理解をさらに深める市民科学と自己サンプリングの継続的な例です。世界のさまざまな地域の狩猟集団の微生物叢を調べた別の研究では、地理的な分離にもかかわらず集団の腸内微生物叢に予想外の類似性が発見されました。
これらのメタゲノミクス研究やその他のメタゲノミクス研究の結果は、ヒトが細菌やウイルスの感染症を取引する方法に大きな影響を与える可能性があります。例えば、Michael Sadowsky博士はNGSを使用して、クロストリジウム・ディフィシル感染後の腸内細菌の置換を監視しました。博士の研究では、糞便移植手順が健康な腸内細菌のバランスを回復するのにどのように役立つかが示されました。
しかし、環境の遺伝的多様性と、自然に発生する細菌がさまざまな生態系で果たす役割を理解する取り組みも進行中です。例えば、ミシシッピ川沿いに生息する微生物群集のプロファイリングや、スーパーファンドの敷地内に存在する細菌の研究、ヒトが環境に加えた汚染物質を分解していることの発見などが挙げられます。急速に拡大する環境微生物学の分野において、NGSは、研究者が修復努力が必要かどうかを判断するため、または環境回復における相対的な成功を測定するための強力なツールになりつつあります。
感染拡大のモニタリング
公衆衛生サイエンティストや疫学者は、疾患がどのように拡大し、感染拡大を予防し、より良く制御できる方法について、常に新しい手がかりを探しています。何世代にもわたって、疫学は、誰がいつどこでいたかについて病気になった人々に尋ねるフィールドベースのアプローチを取ってきました。このアプローチは、病気になった人が特定のレストランで食事をしたり、同じオフィスビルで働いたりするなど、問題の原因を特定できることがありますが、現場の疫学では提供できる情報と情報の正確性が限られています。
対照的に、NGSは分子疫学を可能にします。ゲノミクスは、病気の人に質問する代わりに、人から人、動物から動物、または場所から派生した微生物の遺伝的関係を調べるために使用されます。感染拡大に対応するために、公衆衛生当局は、感染が発生した可能性のある場所だけでなく、特定の病原体のどのようなゲノム変化が伝播されたかを知る必要があります。これは、研究者が個々のサンプルのゲノムシーケンスを比較できる場合にのみ可能な情報です。このケーススタディでは、エボラがどのようにヒトに移ったか、その一例がわかります。
エボラ出血熱の感染拡大を食い止めるには学際的なアプローチが必要ですが、ゲノム分子疫学は、継続的なモニタリングの取り組みや感染方法の特定に有用です。この事例では、New England Journal of Medicineで、女性が性的パートナーの血液がエボラ出血熱に感染していない状態で検査を受けてから155日後に死亡したと報告されています。
臨床微生物学/ウイルス学
NGSは、疫学者のパンデミックの追跡と対応を支援するだけでなく、微生物が細菌、ウイルス、真菌、寄生虫のいずれであるか、および薬剤耐性や免疫回避などの病原性に寄与するものに関する重要な情報で、臨床微生物学ラボを支援することもできます。臨床医は、微生物病原体の同定が遅れると、治療効果のない治療や感染拡大のリスクが高まるため、診断的推測ゲームは患者のケアを危険にさらすことを認識しています。このケーススタディで説明されているように、NGSは今日では特徴づけることのできない多くの感染症への道を開くことができます。研究者はNGSを使用して微生物病原体を同定できますが、臨床現場でNGSを標準化して採用するために回答が必要な運用上、規制上、および戦略的な問題があります。
農業と食糧安全保障
基礎研究、メタゲノミクス、感染拡大モニタリング、臨床微生物学およびウイルス学アプリケーション以外にも、微生物ゲノミクスを使用してヒトの健康と安全を向上させる方法は数多くあります。
食品科学と安全への応用があります。微生物は、ワインやチーズなど、私たちが食べる多くの食品の風味に影響を与えます。NGSツールにより、食品科学ラボは、より良い味の食品に関連する微生物株を特定することができます。Salmonella、Listeria、E. coliなどの食品を汚染するその他の病原体は、何百万もの食中毒の原因となります。同様に、NGSは食品製造業者、政府の規制当局、または下流の食品会社のいずれかが食品品質管理業務に使用し、食品が消費者の皿に付着する前に危険な微生物を特定することで、食品媒介性疾患の拡散を防止できます。
NGSのもう1つの驚くべき応用は、農業微生物学に見られます。細菌、真菌、その他の生物を含む土壌中の微生物は、有機物の分解や土壌栄養素の植物への移行に重要な役割を果たします。そうすることで、食品生産やその他の農業アプリケーションにとって極めて重要なものとなる可能性があります。さらに、このテクノロジーは、食品作物に感染する病原体の同定とマッピングにも使用できます（サツマイモとカッサバのケーススタディ）。
NGSテクノロジーは、農業的に重要な食品源の健康状態をモニタリングし、ペット、介助動物、動物園に住む動物、野生動物の集団などの他の動物を保護する重要なツールでもあります。NGSテクノロジーは、豚の致命的なウイルスなどの動物の蔓延のシーケンス、研究、そして最終的には阻止に役立ちます。また、ヒトの疾患モニタリングと同様に、ゲノムアプローチは個人や動物集団の疾患の特徴付けや追跡にも使用することができます。
