水稻基因組。葡萄基因組。最初的人類基因組計(jì)劃。你可以這么說(shuō)，Bonnie Hurwitz在她作為工業(yè)計(jì)算生物學(xué)家的12年里可能已經(jīng)完成了這項(xiàng)工作，在那里她結(jié)合了她對(duì)基因組學(xué)和計(jì)算機(jī)編程的熱愛(ài)。

Hurwitz，生物系統(tǒng)工程助理教授和BIO5研究所研究員，于2008年來(lái)到亞利桑那大學(xué)攻讀博士學(xué)位。在生態(tài)學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)。她在短短四年內(nèi)完成了整個(gè)程序 - 她在中間生了個(gè)孩子。她的女兒在Hurwitz的考試后8小時(shí)出生，影響了她母親作為UA教員的研究。

Hurwitz說(shuō)：“我對(duì)微生物中錯(cuò)綜復(fù)雜的生命途徑感興趣。”“微生物與我們共生，形成一種微生物超級(jí)有機(jī)體，可以防止病原體通過(guò)我們的皮膚進(jìn)入我們的系統(tǒng)。”

Hurwitz還是UA研究計(jì)算治理委員會(huì)的主席，他教授生物系統(tǒng)工程中遺傳學(xué)，統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)算生物學(xué)的跨學(xué)科課程，在宏基因組學(xué)中工作，或者對(duì)樣本中的整個(gè)微生物群落進(jìn)行測(cè)序。與人類一樣，微生物不是在真空中運(yùn)作：它們受到其微生物群落及其所處環(huán)境的影響。

當(dāng)醫(yī)生擦拭患者的感染時(shí)，拭子中含有來(lái)自感染的細(xì)菌，但它也含有一些人類DNA和其他生物混合在一起。使用一種稱為“全基因組鳥(niǎo)槍法測(cè)序”的過(guò)程，Hurwitz等科學(xué)家對(duì)整個(gè)樣本進(jìn)行測(cè)序努力了解有機(jī)體群體如何協(xié)同工作。有時(shí)，例如，病毒可以完全重新設(shè)計(jì)細(xì)菌的作用。

“當(dāng)它們這樣做時(shí)，它們可以改變細(xì)菌宿主的功能，進(jìn)而影響環(huán)境或身體的生物過(guò)程，”Hurwitz說(shuō)。“這些微觀生物在我們的生活中發(fā)揮著重要作用，許多人并不欣賞。”

當(dāng)然，在出現(xiàn)問(wèn)題之前，我們并不欣賞它們。當(dāng)Hurwitz首次在UA開(kāi)始她的研究職位時(shí)，她的女兒患上了一種對(duì)抗生素沒(méi)有反應(yīng)的慢性耳部感染。

尋找答案時(shí)，Hurwitz決定自己擦拭女兒的耳朵并將樣品送去測(cè)序。原因是土壤細(xì)菌對(duì)抗生素不敏感，不會(huì)在培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)，使臨床微生物實(shí)驗(yàn)室無(wú)法檢測(cè)到。解決方案不是抗生素;小手術(shù)解決了這個(gè)問(wèn)題。

識(shí)別形式和功能

她女兒的案子相對(duì)簡(jiǎn)單。在Hurwitz實(shí)驗(yàn)室，研究人員經(jīng)常與受非典型病原體影響的免疫受損患者合作 - 這些患者不會(huì)在培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)。檢查這些病原體的唯一方法是對(duì)其DNA進(jìn)行測(cè)序，并將數(shù)據(jù)與已知微生物的儲(chǔ)存庫(kù)進(jìn)行比較，有時(shí)會(huì)為全新的微生物創(chuàng)建序列。

即使在進(jìn)行這些比較時(shí)，基因組序列的相似性也并不總是等同于臨床意義。例如，大腸桿菌和志賀氏菌具有幾乎相同的基因組，但志賀氏菌基因組中的微小差異意味著它會(huì)導(dǎo)致痢疾。其他微生物，如M. schaedleri，是健康腸道的正常部分，但當(dāng)它們變得過(guò)多時(shí)與結(jié)腸直腸癌有關(guān)。

Hurwitz說(shuō)：“我們關(guān)心的不僅僅是誰(shuí)在那里，而是關(guān)注多少，以及這些微生物如何一起旋轉(zhuǎn)到復(fù)雜的社區(qū)。”“為什么某些生物體彼此共存?如果對(duì)人類健康或環(huán)境產(chǎn)生不同的干擾，這種變化會(huì)如何變化?我們?nèi)绾尾拍軐⑦@些信息轉(zhuǎn)化為對(duì)人類有用的東西?”

這就是Hurwitz和藥理學(xué)研究助理教授George Watts正致力于全基因組鳥(niǎo)槍測(cè)序的原因。通過(guò)檢查整個(gè)微生物群落的功能組成，科學(xué)家們可以確定一個(gè)人最合適的治療方法，這可能會(huì)轉(zhuǎn)化為具有足夠相似的微生物群落的其他人。

“Hurwitz博士對(duì)于她希望病毒宏基因組學(xué)領(lǐng)域走向何方有著極好的愿景，”Hurwitz在研究生院遇到的生物系統(tǒng)工程助理教授Jana U'Ren說(shuō)。“她在大數(shù)據(jù)分析方面的專業(yè)知識(shí)使得看似不可能的分析成為可能，而且她總是在推動(dòng)極限。”

Hurwitz更為溫和，將這一過(guò)程與亞馬遜的“經(jīng)常一起購(gòu)買”功能進(jìn)行了比較。

“嘿，你有這個(gè)特殊的微生物群落。其他像你一樣服用這種抗生素并取得了成功，或者像你這樣的其他人已經(jīng)轉(zhuǎn)向其他嚴(yán)重的干預(yù)措施，如手術(shù)，”她說(shuō)。

在她的宏基因組學(xué)研究中，Hurwitz與細(xì)胞和分子醫(yī)學(xué)教授Thomas Doetschman博士合作研究結(jié)腸癌，UA血管外科主任周博士研究糖尿病足潰瘍，并與醫(yī)學(xué)院的Dr. N. Nfonsam博士一起研究。結(jié)直腸癌手術(shù)。她的實(shí)驗(yàn)室還領(lǐng)導(dǎo)了其他幾個(gè)涉及網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和測(cè)序算法的項(xiàng)目。

“她不僅是最頂尖的宏基因組研究人員之一，而且她看到了計(jì)算和計(jì)算思維可以為宏基因組學(xué)帶來(lái)的好處，她擁有計(jì)算機(jī)科學(xué)方面的專業(yè)知識(shí)，可以將兩個(gè)學(xué)科結(jié)合在一起，”副教授約翰哈特曼說(shuō)。在科學(xué)學(xué)院，與Hurwitz分享了幾筆資助。

她的基因組學(xué)工作的最終目標(biāo)是讓醫(yī)生能夠?qū)颊叩臉颖具M(jìn)行測(cè)序，以提供快速診斷和治療計(jì)劃。

“我所做的研究并不深?yuàn)W。它的意思是應(yīng)用，”Hurwitz說(shuō)。“我們正致力于將新一代測(cè)序從研究領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到實(shí)踐中。”