在過去十年中，核酸測序和質譜技術的進步使得能夠更快速，更有信息地進行宏基因組，轉錄組，蛋白質組學和代謝組學的分析。在這里，我們回顧了多環境和人類微生物多組學分析的關鍵，討論了為了解決當前缺陷未來的一些潛在的發展方向。

微生物在大約35億年前在地球上開始出現，最終占領了地球生物圈的每個位置。雖然已知微生物負責對地球上的很多關鍵功能，例如碳和營養循環，以及決定地球植物和動物的健康和疾病，但目前認為存在的萬億微生物中有99％還沒有被發現。此外，由于復雜的微生物群體多樣性導致研究微生物群體中特定的功能變得非常復雜，微生物群體（定義為特定環境中存在的微生物及其集體遺傳物質的總體，例如居住在土壤或人類腸道中的所有微生物）。幸運的是，過去幾十年的技術進步大大促進了復雜微生物及其功能的研究。這里我們將討論與核酸測序和質譜（MS）分析相關的進展，這些分析是的我們能夠分析環境和體內的微生物群體。

核酸測序

核酸測序技術的速度和通量的驚人增長促進了微生物研究進展。特別是下一代（NextGen）測序有了革命性的發展，它們已經超過了近三十年（1977年至2005年）占主導地位的傳統Sanger測序方法。使用基于Sanger雙脫氧核苷酸的連鎖終止方法對單個細菌基因組進行測序以前是一項需要多年才能完成的重大努力。使用Sanger方法完全測序的第一個細菌基因組是1995年的嗜血桿菌流感（1997年完成了大腸桿菌）。目前，由于可用快速和便宜的NextGen測序平臺，現在可以在幾個小時內完成細菌基因組測序。


單分子測序技術

新興測序技術包括基于單分子的DNA測序儀可以更快的進行微生物基因組的研究。一個例子是來自PacBio的單分子實時（SMRT）技術，其依賴于拴住的DNA聚合酶和零模式波導，以通過少量液體引導光能。 PacBio目前提供長度為10-25 kbp的DNA序列讀數和每個SMRT小室?300 Mbp。由于使用束縛聚合酶，PacBio平臺可以檢測異常由于聚合酶的擺動，可以直接讀取DNADNA修飾情況。牛津Nanopore測序平臺是另一個新興和有希望的單分子測序儀。與目前的平臺不同，牛津平臺不依賴于合成測序，而是通過穿過Nanopore直接對核酸分子進行排序。 Oxford Nanopore可以檢測到像PacBio platorm的DNA修飾，平均讀取長度為?1-2 kbp，以及任何測序儀（> 90 kbp）提供的最長讀取長度。牛津Nanopore測序器的主要優點是其拇指大小，可以在個人實驗室電腦上用實時使用無線技術進行分析。

測序復雜微生物群落

DNA測序技術的改進使許多發現世界各地和我們自己身體中的微生物成分和潛在功能。大部分關于微生物的信息都來自NextGen測序的16S rRNA基因作為細菌和古細菌的系統進化標記。另外，總DNA（即基因組學）的NextGen測序已經可以確定在不同環境中與特定微生物群體相關的功能基因。 例如，一些研究已經定義了在深水地平線溢油在墨西哥灣和解凍永久凍土之后的水和沉積物樣品中的功能基因組成。 然而，絕大多數這些基因沒有已知功能，反映了尚待發現的環境微生物的巨大多樣性和生化潛力。


宏轉錄組學

Metatranomics測序總mRNA（即，metatranomics）揭示哪些基因被表達通過空間和時間尺度的特定生物體。 Metatranomics提供了微生物基因在各種生態系統中的表達知識，包括酸礦排水、腸、海洋和土壤。例如，吉爾伯特等人使用宏轉錄組來確定英吉利海峽海洋微生物群的季節性表達模式。最近，我們使用Metatranomics來推斷土壤基因組中哪一個識別的生物體在土壤中有活性。雖然Verrucomicrobia在被調查的土壤中非常豐富，但很少的mRNA轉錄本映射到其基因組，這表明它們實際上是轉錄靜止的。相比之下，Firmicutes基因組被發現是轉錄活躍的。這揭示了Metatranomics在驗證宏基因組學和了解微生物群落不同成員的相對活動方面的效用。

基于質譜法的蛋白組學和代謝組學測量

雖然DNA測序的進展使得能夠更好地了解微生物中的微生物系統發育和功能基因組成，但也希望了解在特定條件下產生哪些蛋白質（即宏蛋白質組學）和代謝物質（即代謝組學），以及擾動如何影響微生物功能。微生物在不同樣品中產生的蛋白質和代謝產物的測量主要通過MS實現。在微生物樣品的MS分析中，感興趣的生物分子在源中離子化，根據其在質量分析儀中的質荷比進行分離，最后檢測，提供具有高靈敏度，分辨率和產量的宏蛋白質組學或代謝組學測量。

1984年電噴霧電離（ESI）的引入大大增加了MS測量用于評估的效用。 ESI的一個挑戰是執行它在大氣壓力（760乇）下，質量分析儀通常在10-6和10-11乇之間的壓力狀態下工作。這種壓力差異超過九個數量級，如果源和質量分析儀區域耦合不好，則會發生巨大的離子損失。因此，在過去二十年中，已經優化了使用離子漏斗和透射四極區域的界面設計，以重新聚焦離子，同時不斷降低壓力。這些領域的改進導致離子損失減少和靈敏度更高。然而，分析復合微生物中的生物分子由于高動態范圍和給定樣品中存在數千個組分，MS仍然非常困難。這些挑戰需要在分辨率，精度和MS / MS速度方面改進質量分析儀。四極桿，離子阱，飛行時間和離子回旋共振（ICR）質譜分析儀構成了2005年引入軌道曝光儀之前使用的大多數質量分析儀。orbitrap技術為實驗室提供了更高的分辨能力，更為經濟實惠。orbitrap技術在過去十年的進步包括更高分辨率的測量和更快的MS / MS，這里包括linear ion trap （低分辨率）和orbitrap（高分辨率）的掃描速率。最大分辨率和MS掃描速度過去15年顯示，這兩個特征都已被優化，以便在每個測量中獲得最佳的生物分子覆蓋和準確性。然而，由于微生物組織樣品的復雜性，還采用了一維和二維液相色譜分離和氣相離子遷移光譜等附加技術來增加鑒定的蛋白質和代謝物的數量。這些分離技術在檢測前降低了樣品的復雜性，由于每個微生物組分樣品中存在許多分子，因此離子阱和檢測器的抑制較少，并且可以使給定樣品中的蛋白質和代謝物更高的覆蓋范圍。