香港大学公卫学院张彤教授：长读长测序是未来的方向 | 大咖论健85期
关键词/基因测序 微生物
基因测序等新兴生物技术（BT）和大数据及人工智能等信息技术（IT）发展与融合，构建数字生命健康。基于”连接融合价值，数据预见未来“的理念，基因慧主办《大咖论健》，汇聚创新创业先锋参与数字生命健康产业前瞻性探讨。
第85期嘉宾为香港大学土木工程系教授、香港大学公共卫生学院荣誉教授张彤教授。从环境生物技术角度，如何应用基因测序特别是长片段测序，进行微生物组和环境生物信息学的研究？听张彤教授说。
1. 科学技术的发展需要“跨界”
【基因慧】作为香港大学土木工程系的教授，您“跨界”研究生物技术领域，据说包括环境生物信息学、微生物组学技术、污水生物处理、新兴污染物的生物降解、抗生素抗性基因检测等新兴生物技术领域。您是如何关注到这些领域呢？
【张彤】科学技术的发展需要“跨界”。我的专业是环境生物技术，是土木工程中的环境工程的重要组成部分和前沿领域，主要研究污水处理和环境治理工程应用中的各种微生物学过程。在这些过程中，成千上万的微生物个体组成一个群体，也就是“微生物群落”，不同的细菌在群落中有各自的分工，彼此之间有相互的合作。
以前把细菌从群落中分离出来单独进行研究的方法，远远不能探索这些复杂的相互关系和作用，研究者们在科研中一直苦于没有有力的工具和方法克服这一困难。基因测序技术的快速进步给我们提供了前所未有的机会，可以同时准确地分析检测成千上万种微生物，把它们作为一个群体进行“微生物组”的研究。
我们研究小组的主要方向就是将 “微生物组” 和“环境生物信息学”的研究方法应用于污水生物处理工程中，重点关注的学科前沿方向是 “抗生素抗性基因”和“新兴污染物的生物降解” 。
2. 基因检测和每个人的生活密切相关
【基因慧】很多人会认为基因检测是前沿科学，离自己的生活非常遥远，结合您工作中的实例, 您认为基因检测是如何渗透进我们生活的方方面面呢？
【张彤】基因检测不仅带给我们全新知识的前沿科学，更是和我们生活密切相关的前沿科学。举个简单的例子，唐氏综合症是严重的遗传疾病，以前的孕期检测在一定情况需要羊水穿刺，有一定的风险性，所以不容易进行广泛的筛查。随着基因检测的快速进步，目前可以仅靠检测母体血液中胎儿DNA就可对胎儿染色体相关的健康状况做出准确判断，所以已经成为一个广泛应用的筛查技术，造福整个社会和许许多多的家庭。
另一个和我们生活息息相关的基因检测的应用是对与人类健康高度关联的肠道微生物。我们每个人都有两个“厨师”， 一个在厨房，一个在我们肠胃中。在我们肠胃中的这些微生物通过对食物的消化影响人体健康的方方面面，目前依靠基因测序技术我们也深入了解了各种相互关联的规律，对医学和健康有很好的指导意义。另外就是环境微生物的基因检测也正在蓬勃发展，已经广泛用于水质、空气质量、反应器运行的科学研究中，将成为环境保护和污染治理的强有力工具。
3. 在耐药分析中，三代测序实现对抗性基因宿主的追踪
【基因慧】根据您对环境微生物、抗生素等多年的研究，有哪些重大研究成果与基因慧读者们分享？这些研究成果对保护环境及公共卫生健康问题起到了哪些指导作用呢？
【张彤】抗生素自被研发使用以来，对治疗细菌感染性疾病发挥了重要作用， 有效的保障了人类的生命健康。20世纪70年代以来，由于抗生素滥用导致细菌耐药在临床和环境微生物中广泛传播，抗生素耐药现在已经成为威胁人类健康的焦点问题，但是我们对它的认识还十分有限。我们研究小组近年来一直致力于开发基于高通量测序的标准化检索方法，来快速准确地检测及定量不同样本中的耐药基因。
我们通过生物信息学的手段整理完善了抗性基因数据库，并针对高通量测序结果开发了ARGs-OAP这个耐药基因检测分析平台，不仅实现了抗性基因的精确鉴定，同时我们将检索到的抗性基因丰度进行多个角度的定量化表征。
虽然现阶段基于短序列比对检测抗性基因仍然是研究中的重要方法，但是随着长序列三代测序技术的迅速崛起，使得我们不仅能够分析出样品中抗性基因的种类和丰度，同时实现了对抗性基因遗传背景的解析和宿主的追踪，Nanopore测序的特点，能够让我们实时的鉴定耐药菌群，这对于建立耐药风险评估和管控策略提供了重要的技术支持。
4. 四种主流的基因检测技术平台
【基因慧】您在科研工作中常采用哪些基因检测技术平台呢？他们分别应用在哪些方面？
【张彤】我们用到的基因检测的技术平台主要有PCR、qPCR、荧光原位杂交技术（FISH）和高通量测序等。
利用PCR技术可以对某些感兴趣的基因进行简单的定性研究，比如通过扩增硝化生物反应器中的amoA基因，我们可以确定参与氨氧化的微生物群落结构；结合qPCR技术，同时可以对这些功能菌群进行一个定量的研究，这对于我们通过调节反应器的运行参数以达到高氮去除率提供了重要参考。
荧光原位杂交技术可以利用细菌特异性的靶核苷酸探针确定微生物空间分布情况，实现了微生物原位的可视化分析，比如利用这一技术可以对生物反应器中脱氮菌和除磷菌进行有效识别和定量分析。
高通量测序技术的到来使得对物种基因组和转录组全貌的分析成为可能，比如利用16S rRNA高通量测序我们可以解析污水处理体系中微生物的群落结构，利用宏基因组学和宏转录组学我们还能精确分析这些功能群落的基因表达水平和调控规律。
5. 长读长测序提高基因图谱解析度，提高组装效率
【基因慧】结合您工作的实例，长度长测序技术为科研工作带来了哪些改变呢？
【张彤】长读长测序的主要优势在于单条长序列能够覆盖很多基因，甚至是基因簇，这对于解析含有很多重复序列的细菌基因组和基因原件非常有帮助。
比如对于具有复杂结构细菌基因组和质粒的解析，我们知道在细菌基因组和质粒元件上有很多重复序列，通常这些重复序列的长度比我们经常用到的短序列要长很多，使得我们不能对这些基因进行有效的组装。所以单独利用短读长测序手段，我们很难拿到完整的基因图谱，但是长序列能够轻松覆盖这些重复区域，我们现在可以利用Nanopore的barcode，通过单个flowcell拿到12个甚至24个细菌及其携带的质粒完整图谱。
不仅如此，对于复杂环境样本，比如活性污泥体系，由于存在很多基因型上相似的微生物群落，单纯利用短读长很难实现基因组的组装，往往存在解析度不高的情况，但是利用长读长测序手段，大大提高了环境样本的组装效率，相比短读长能够拿到更多的细菌基因组信息，使得我们的分析结果更加精细。
6.长读长是现在的新兴技术和未来的方向
【基因慧】您对想要开始、或刚刚开始使用纳米孔长读长测序的科研工作者有哪些建议？
【张彤】长读长是现在的新兴技术和未来的方向。在不同的长读长测序技术中，纳米孔有它独特的优势和有特色的地方。作为早期用户，我们见证了这一技术的成长，也正在应用这一技术进行我们的科研工作和技术开发。
对想要开始、或刚刚开始使用纳米孔长读长测序的科研工作者, 我的总体建议就是要敢于尝试、积累经验、积极比较、把握方向。具体来说就是要看到这是未来的方向，越早尝试越可以在科研上占得先机，提高科研水平。在尝试的过程中才能观察体验思考，积累总结经验，加深对纳米孔技术特点的认识。同时也应该有开放的思路，比较不同的测序技术，充分了解这些技术的优劣。最终还是要结合自己所研究的科研问题选择合适的技术平台。
以上信息仅代表采访嘉宾个人观点
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