微生物組（即“菌群”）是微生物在自然界的存在形式，它們在自然界中無處不在，而且塑造了人類社會的過去、現(xiàn)在和未來。因此，微生物組“大數(shù)據(jù)”的深度挖掘，是利用菌群實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)診斷、精準(zhǔn)護(hù)理與精準(zhǔn)營養(yǎng)的重要工具，也是認(rèn)識生物資源、監(jiān)控環(huán)境健康、維護(hù)國家生物安全的新手段。近日，青島能源所單細(xì)胞中心發(fā)布了第二代微生物組搜索引擎MSE 2（http://mse.ac.cn），以支撐更全面、更深入、更便捷的菌群大數(shù)據(jù)挖掘。該項工作于1月20日發(fā)表于mSystems（美國微生物學(xué)會會刊）。
在海量的人類已知微生物組數(shù)據(jù)空間中，微生物組搜索引擎（MSE）針對新的菌群樣本，以亞秒級別的反應(yīng)時間尋找結(jié)構(gòu)類似樣本，從而全面、快速地挖掘新樣本的特征。因此，MSE被譽(yù)為“the Google of Microbiome”，并入選“2016年中國醫(yī)藥生物技術(shù)十大進(jìn)展”。MSE 2從參照數(shù)據(jù)庫、搜索引擎內(nèi)核和用戶界面等三個方面做了全面升級（圖1）。具體來說，首先，相對于包含10萬例16S rRNA擴(kuò)增子測序樣本的第一代MSE數(shù)據(jù)庫，MSE 2中搜集、標(biāo)準(zhǔn)化分析和可視化了涵蓋16S rRNA擴(kuò)增子和鳥槍法元基因組類型的近27萬個樣本，是國內(nèi)外生態(tài)系統(tǒng)覆蓋最全面、樣本數(shù)量最豐富的標(biāo)準(zhǔn)化元基因組數(shù)據(jù)庫之一。其次，MSE 2的搜索引擎內(nèi)核已完全兼容16S rRNA和鳥槍法兩種測序數(shù)據(jù)，可從OTU（利用MSE，科研人員揭示了人類已知菌群在結(jié)構(gòu)空間上的全局特征，并預(yù)測了微生物組領(lǐng)域最有科學(xué)潛力的方向（Su et al., mBio 2018）。同時，MSE代表著一種依托菌群大數(shù)據(jù)的疾病檢測新策略，在基于腸道菌群的一些慢病診斷上，它在回答“是否健康”和“哪種疾病”這兩個問題上的準(zhǔn)確率上均優(yōu)于常用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，從而有效降低了“漏診”和“誤診”幾率（Su et al., mSystems 2020）。此外，由于其涵蓋了全面、多維、海量的微生物組及其生境信息，MSE已成為評估微生態(tài)健康、評價微生態(tài)產(chǎn)品療效的有力工具，正在支撐寶潔公司等合作企業(yè)開發(fā)針對口腔、皮膚、室內(nèi)環(huán)境、空氣等微生態(tài)系統(tǒng)的精準(zhǔn)護(hù)理和高效修復(fù)手段。基于其不斷拓展的應(yīng)用，MSE 2將成為遨游微生物組數(shù)據(jù)空間的“羅盤”，推動“數(shù)據(jù)驅(qū)動型”的微生態(tài)研究和大健康產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
該研究由青島能源所與青島大學(xué)、中科院文獻(xiàn)情報中心、中國海洋大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)合作完成。單細(xì)胞中心生物信息研究組荊功超助理研究員和劉璐助理研究員為論文的共同一作，蘇曉泉教授與徐健研究員為共同通訊作者。該項目獲得了國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金的支持。
圖1 第二代微生物組大數(shù)據(jù)搜索引擎MSE 2的整體框架
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Gongchao Jing#, Lu Liu#, Zengbin Wang, Yufeng Zhang, Qian Li, Chunxiao Gao, Meng Zhang, Min Li, Zhenkun Zhang, Xiaohan Liu, Jian Xu*, Xiaoquan Su*. Microbiome Search Engine 2: a platform for taxonomic and functional search of global microbiomes on the whole-microbiome level. mSystems 2021, 6(1):e00943-20. https://doi.org/10.1128/mSystems.00943-20
Xiangquan Su*, Gongchao Jing, Daniel McDonald, Honglei Wang, Zenbin Wang, Antonio Gonzalez, Zheng Sun, Shi Huang, Jose Navas, Rob Knight*, Jian Xu*. Identifying and predicting novelty in microbiome studies. mBio 2018, 9(6):e02099-18. https://doi.org/10.1128/mBio.02099-18
Xiaoquan Su*, Gongchao Jing, Zheng Sun, Lu Liu, Zhenjiang Xu, Daniel McDonald, Zengbin Wang, Honglei Wang, Antonio Gonzalez, Yufeng Zhang, Shi Huang, Gavin Huttley, Rob Knight*, Jian Xu*. Multiple-Disease Detection and Classification across Cohorts via Microbiome Search. mSystems 2020, 5:e00150-20. https://doi.org/10.1128/mSystems.00150-20
