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如今，快速、廉价的DNA测序技术让科学家们可以去研究那些不可培养的微生物。这些研究结果正在挑战生物学中某些最基本的概念。
19世纪，有些生物学家开始赞同一个看起来有些荒谬的理论：疾病的源头并不是人们所认为的废气和恶劣的卫生条件，而是那些肉眼看不到的生物体。先驱研究者顺着这个奇怪的想法发展了无菌培养技术，改良了显微观察能力，并且创造了一系列尖端的工具。渐渐地，他们的结果说服了同行，这种看上去古怪的细菌理论是正确的。
到了21世纪，有些生物学家开始支持一个更荒谬的理论：人类和其他大型生物并不是人们所认为的个体存在，而是依赖于数百万微生物之上完整的生态系统。提出这一奇特观点的先驱研究者发展了新的取样策略、强大的基因测序和数据分析新技术以及其他革命性的技术。他们的结果逐渐说服了新一代的科学家，这种看似怪异的生命微生物组理论可能是正确的。
“我们所拥有的微生物基因组多于我们身上的人类细胞。我们是一个行进中的生态系统。这是一个意义相当深远的现实。”加利福尼亚州卡尔斯巴德市Life Technologies公司研发部主管Timothy Harkins说。
无法培养的大多数
微生物学家早就知道，很多细菌、真菌、原生生物和病毒无法利用现有的培养技术在实验室中生长。但是，当前随着下一代DNA测序技术价格暴跌、敏感性飙升，研究者终于可以研究这些无法培养的大多数。
这一新兴领域的大多数研究都涉及环境取样，对样品进行最大限度的DNA测序，使用序列信息鉴定其中的物种并分析其生态学功能。实验结果有时出乎意料。比方说，对人类肠道的微生物组分析揭示，每个人的大肠都携有一套独特的细菌物种混合体，而这一肠道生态系统的扰动会带来严重的健康问题甚至饥饿感。
尽管DNA测序搭建了微生物组的基础，但如果脱离了细致的取样和实验设计，再好的测序流程也只是白费力。加利福尼亚州戴维斯市加州大学进化和生态学教授Jonathan Eisen表示：“测序很令人兴奋，也很有趣，人们经常……比如说，‘先把所有东西都测了，之后再去整理’。”Eisen坚称，这一想法粉饰了一些重要问题：“你是要活的细胞吗？还需要死的细胞吗？‘我打算分析DNA’这种说法太粗枝大叶了。”
除了加入死细胞和宿主DNA等干扰因子之外，粗糙的取样可能会破坏研究者最初想找的基因组。“当一个（厌氧的）细菌暴露在有氧环境中，将会出现细胞凋亡，杀死自己，破坏它的基因组。那么，你如何来鉴定这种情况？”Harkins问道。
研究者一旦决定了如何收集有用的样品，就需要明确好问题，以及如何为答案搭建框架。幸运的是，动物学家和植物学家在数十年间一直在寻找鉴定生态系统的研究路径。但不幸的是，他们尚未达成一致。
为了对生物体进行归类，生物学家既可以采用分类学方法列出现存物种，并按照其特征和所占据的生态位进行分类，也可以基于进化关系构建系统发育树。但人们对这两种方法都褒贬不一。“人们已经为此争论了一百年。”Eisen本人则站在系统发育一边。
从某种程度上说，对生态系统的多样性进行定量会更加直接。生态学家通常检测3种形式的多样性：α多样性，基于一个特定区域中物种或系统发育组的数目；β多样性，比较不同区域的多样性；以及γ多样性，使用α和β多样性解释一个大的生态系统中的总体生物多样性。在医学微生物组中，研究者经常在个体的微生物样本中检测α多样性，而在不同个体的微生物组间计算β多样性。
碱基覆盖
在选定一种实验设计之后，微生物组的研究人员进入测序阶段，这时他们会面临另一个重要选择：是测核糖体RNA（rRNA）还是测全基因组的随机片段。
在rRNA测序中，研究者使用专门设计的引物，仅用于扩增16S核糖体RNA的基因，这一分子在进化过程中变化极其缓慢。样品中不同rRNA序列的数目很好地代表了物种的数目，这类序列的公共数据库也可用于鉴定许多物种。相比较而言，鸟枪法或宏基因组测序是在一个样品中检测全部基因组的短小、随机片段，然后试图将其拼接在一起。
两种方法各有利弊。康涅狄格州布兰福德市罗氏公司454 LifeSciences公司研发部负责人ToddArnold说：“有些人喜欢用鸟枪法，我认为因为总的来说它可以很简单，（但是）核糖体RNA在富集技术方面（确实有效）。”核糖体RNA测序对人类微生物组的样品特别有用，因为该技术能够相对容易地忽略大量宿主DNA的背景，而仅仅聚焦在微生物组成上。该领域的研究者也把rRNA测序当作更成熟的技术，因为它具有更加明确的程序和清晰的仪器选择。
然而，宏基因组测序可以鉴定出整个基因组范围内更广泛的变异，而且最终有望使科学家在混合样品中测出全基因组。“我认为宏基因组分析的一些方面正在更加常规化，现成可以使用。此外，我们还可以从宏基因组数据中获得更多信息。”加利福尼亚州斯坦福市斯坦福大学微生物与免疫学教授David Relman指出。
幸运的是，测序仪器制造商并没有吃老本，几家公司正在竞相提高仪器在两方面的性能。尽管许多微生物组研究人员近期已选定Illumina的HiSeq系统来进行rRNA的课题，Eisen很快指出测序技术仍然在快速变化。“我不认为它已经达到了平台期。”他还表示，特别是宏基因组研究的基因组测序正在孕育新突破。
不管生物学家选择哪个平台，他们都想要更加用户友好的技术。“测序技术已经不再是精通测序人员的专利，也不仅限于核心实验室。”Arnold说。当代的高通量测序仪都是高度自动化，其软件能够分析原始数据，进行初步质量控制检验。
当早期的几个微生物测序应用进入到严格管理的医药研发界，一些工具制造商已将自动化的发展推进了一大步。例如，AppliedBiosystems公司的Microseq平台能进行常规的Sanger法测序，鉴定制药设备中的细菌和真菌污染。该系统简化了测序流程，可以快速准确地检测某些特定生物体，不再探究整个微生物组中的所有物种组成。深挖数据
19世纪，有些生物学家开始赞同一个看起来有些荒谬的理论：疾病的源头并不是人们所认为的废气和恶劣的卫生条件，而是那些肉眼看不到的生物体。先驱研究者顺着这个奇怪的想法发展了无菌培养技术，改良了显微观察能力，并且创造了一系列尖端的工具。渐渐地，他们的结果说服了同行，这种看上去古怪的细菌理论是正确的。
到了21世纪，有些生物学家开始支持一个更荒谬的理论：人类和其他大型生物并不是人们所认为的个体存在，而是依赖于数百万微生物之上完整的生态系统。提出这一奇特观点的先驱研究者发展了新的取样策略、强大的基因测序和数据分析新技术以及其他革命性的技术。他们的结果逐渐说服了新一代的科学家，这种看似怪异的生命微生物组理论可能是正确的。
“我们所拥有的微生物基因组多于我们身上的人类细胞。我们是一个行进中的生态系统。这是一个意义相当深远的现实。”加利福尼亚州卡尔斯巴德市Life Technologies公司研发部主管Timothy Harkins说。
无法培养的大多数
微生物学家早就知道，很多细菌、真菌、原生生物和病毒无法利用现有的培养技术在实验室中生长。但是，当前随着下一代DNA测序技术价格暴跌、敏感性飙升，研究者终于可以研究这些无法培养的大多数。
这一新兴领域的大多数研究都涉及环境取样，对样品进行最大限度的DNA测序，使用序列信息鉴定其中的物种并分析其生态学功能。实验结果有时出乎意料。比方说，对人类肠道的微生物组分析揭示，每个人的大肠都携有一套独特的细菌物种混合体，而这一肠道生态系统的扰动会带来严重的健康问题甚至饥饿感。
尽管DNA测序搭建了微生物组的基础，但如果脱离了细致的取样和实验设计，再好的测序流程也只是白费力。加利福尼亚州戴维斯市加州大学进化和生态学教授Jonathan Eisen表示：“测序很令人兴奋，也很有趣，人们经常……比如说，‘先把所有东西都测了，之后再去整理’。”Eisen坚称，这一想法粉饰了一些重要问题：“你是要活的细胞吗？还需要死的细胞吗？‘我打算分析DNA’这种说法太粗枝大叶了。”
除了加入死细胞和宿主DNA等干扰因子之外，粗糙的取样可能会破坏研究者最初想找的基因组。“当一个（厌氧的）细菌暴露在有氧环境中，将会出现细胞凋亡，杀死自己，破坏它的基因组。那么，你如何来鉴定这种情况？”Harkins问道。
研究者一旦决定了如何收集有用的样品，就需要明确好问题，以及如何为答案搭建框架。幸运的是，动物学家和植物学家在数十年间一直在寻找鉴定生态系统的研究路径。但不幸的是，他们尚未达成一致。
为了对生物体进行归类，生物学家既可以采用分类学方法列出现存物种，并按照其特征和所占据的生态位进行分类，也可以基于进化关系构建系统发育树。但人们对这两种方法都褒贬不一。“人们已经为此争论了一百年。”Eisen本人则站在系统发育一边。
从某种程度上说，对生态系统的多样性进行定量会更加直接。生态学家通常检测3种形式的多样性：α多样性，基于一个特定区域中物种或系统发育组的数目；β多样性，比较不同区域的多样性；以及γ多样性，使用α和β多样性解释一个大的生态系统中的总体生物多样性。在医学微生物组中，研究者经常在个体的微生物样本中检测α多样性，而在不同个体的微生物组间计算β多样性。
碱基覆盖
在选定一种实验设计之后，微生物组的研究人员进入测序阶段，这时他们会面临另一个重要选择：是测核糖体RNA（rRNA）还是测全基因组的随机片段。
在rRNA测序中，研究者使用专门设计的引物，仅用于扩增16S核糖体RNA的基因，这一分子在进化过程中变化极其缓慢。样品中不同rRNA序列的数目很好地代表了物种的数目，这类序列的公共数据库也可用于鉴定许多物种。相比较而言，鸟枪法或宏基因组测序是在一个样品中检测全部基因组的短小、随机片段，然后试图将其拼接在一起。
两种方法各有利弊。康涅狄格州布兰福德市罗氏公司454 LifeSciences公司研发部负责人ToddArnold说：“有些人喜欢用鸟枪法，我认为因为总的来说它可以很简单，（但是）核糖体RNA在富集技术方面（确实有效）。”核糖体RNA测序对人类微生物组的样品特别有用，因为该技术能够相对容易地忽略大量宿主DNA的背景，而仅仅聚焦在微生物组成上。该领域的研究者也把rRNA测序当作更成熟的技术，因为它具有更加明确的程序和清晰的仪器选择。
然而，宏基因组测序可以鉴定出整个基因组范围内更广泛的变异，而且最终有望使科学家在混合样品中测出全基因组。“我认为宏基因组分析的一些方面正在更加常规化，现成可以使用。此外，我们还可以从宏基因组数据中获得更多信息。”加利福尼亚州斯坦福市斯坦福大学微生物与免疫学教授David Relman指出。
幸运的是，测序仪器制造商并没有吃老本，几家公司正在竞相提高仪器在两方面的性能。尽管许多微生物组研究人员近期已选定Illumina的HiSeq系统来进行rRNA的课题，Eisen很快指出测序技术仍然在快速变化。“我不认为它已经达到了平台期。”他还表示，特别是宏基因组研究的基因组测序正在孕育新突破。
不管生物学家选择哪个平台，他们都想要更加用户友好的技术。“测序技术已经不再是精通测序人员的专利，也不仅限于核心实验室。”Arnold说。当代的高通量测序仪都是高度自动化，其软件能够分析原始数据，进行初步质量控制检验。
当早期的几个微生物测序应用进入到严格管理的医药研发界，一些工具制造商已将自动化的发展推进了一大步。例如，AppliedBiosystems公司的Microseq平台能进行常规的Sanger法测序，鉴定制药设备中的细菌和真菌污染。该系统简化了测序流程，可以快速准确地检测某些特定生物体，不再探究整个微生物组中的所有物种组成。深挖数据