จุลินทรีย์คือกลุ่มของจุลินทรีย์ที่อาจอยู่ ร่วมกัน แบบ พึ่งพาอาศัยกัน เป็น ประโยชน์ร่วมกันหรือก่อโรคพบได้ทั้งในและบนสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ ทั้งหมด รวมทั้งพืชจุลินทรีย์ประกอบด้วยแบคทีเรียอาร์เคียโปรติสต์เชื้อราและไวรัส[ 2 ^{] [ 3 ] และ}พบว่ามีความสำคัญต่อการรักษาสมดุลของระบบภูมิคุ้มกัน ฮอร์โมน และ^การเผา ผลาญ ของโฮสต์

คำว่าไมโครไบโอมหมายถึงจีโนม รวม ของจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ในแหล่งนิเวศวิทยาหรือตัวจุลินทรีย์เอง^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

ไมโครไบโอมและโฮสต์เกิดขึ้นระหว่างวิวัฒนาการในฐานะ หน่วย ที่ทำงานร่วมกันจากลักษณะทางพันธุกรรมและลักษณะทางพันธุกรรม ซึ่งบางครั้งเรียกรวมกันว่าโฮโลไบออนต์ [ ^{7 ] [ 8 ] การ}มีอยู่ของจุลินทรีย์ในลำไส้ของมนุษย์และสัตว์หลายเซลล์อื่นๆ มีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจวิวัฒนาการร่วมกันระหว่างสัตว์หลายเซลล์และแบคทีเรีย^{[ 9 ] [ 10 ]}จุลินทรีย์มีบทบาทสำคัญในการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันและการเผาผลาญในลำไส้ผ่านผลิตภัณฑ์จากการหมัก ( กรดไขมันสายสั้น ) อะซิเตต^{[ 11 ]}

พืชและสัตว์ทุกชนิด ตั้งแต่สิ่งมีชีวิตที่เรียบง่ายไปจนถึงมนุษย์ ล้วนมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับจุลินทรีย์^{[ 12 ]}ความก้าวหน้าหลายประการได้ผลักดันให้เกิดการรับรู้เกี่ยวกับไมโครไบโอม ซึ่งรวมถึง:

• ความสามารถในการดำเนินการวิเคราะห์จีโนมและการแสดงออกของยีนของเซลล์เดี่ยวและชุมชนจุลินทรีย์ทั้งหมดในสาขาเมตาจีโนมิกส์และเมตาทรานสคริปโตมิกส์^{[ 13 ]}
• ฐานข้อมูลที่นักวิจัยสามารถเข้าถึงได้จากหลากหลายสาขาวิชา^{[ 13 ]}
• วิธีการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ที่เหมาะสมสำหรับชุดข้อมูลที่ซับซ้อน^{[ 13 ]}

นักชีววิทยาค้นพบว่าจุลินทรีย์เป็นส่วนสำคัญของฟีโนไทป์ ของสิ่งมีชีวิต ซึ่งเกินกว่ากรณีศึกษาการอยู่ร่วมกันเป็นครั้งคราว^{[ 13 ]}

ภาวะ พึ่งพาอาศัยกัน (Commensalism ) ซึ่งเป็นแนวคิดที่พัฒนาโดยPierre-Joseph van Beneden (1809–1894) ศาสตราจารย์ชาวเบลเยียมที่มหาวิทยาลัย Louvainในช่วงศตวรรษที่ 19 ^{[ 14 ]}ถือเป็นหัวใจสำคัญของไมโครไบโอม ซึ่งจุลินทรีย์จะเข้ามาอาศัยอยู่ในโฮสต์โดยไม่ก่อให้เกิดอันตราย ความสัมพันธ์กับโฮสต์เรียกว่าภาวะพึ่งพาซึ่ง กันและกัน (mutualistic) เมื่อสิ่งมีชีวิตทำหน้าที่ที่ทราบกันว่ามีประโยชน์ต่อโฮสต์^{[ 15 ] : 700 [ 16 ]} และเรียกว่า ภาวะปรสิต (parasitic ) เมื่อเป็นผลเสียต่อโฮสต์ ผู้เขียนคนอื่นๆ นิยามสถานการณ์ว่าเป็นภาวะพึ่งพาซึ่งกันและกันเมื่อทั้งสองฝ่ายได้รับประโยชน์ และภาวะพึ่งพาอาศัยกัน (commensal) เมื่อโฮสต์ที่ไม่ได้รับผลกระทบได้รับประโยชน์จากสิ่งมีชีวิตร่วมอาศัย^{[ 17 ]}การแลกเปลี่ยนสารอาหารอาจเป็นแบบสองทิศทางหรือทิศทางเดียว อาจขึ้นอยู่กับบริบท และอาจเกิดขึ้นได้หลายวิธี^{[ 17 ]}จุลินทรีย์ที่คาดว่าจะพบได้ และภายใต้สถานการณ์ปกติจะไม่ก่อให้เกิดโรค ถือว่าเป็นจุลินทรีย์ปกติหรือจุลินทรีย์ประจำถิ่นปกติ^{[ 15 ]}จุลินทรีย์ปกติไม่เพียงแต่จะไม่เป็นอันตรายเท่านั้น แต่ยังสามารถปกป้องโฮสต์ได้อีกด้วย^{[ 18 ]}

การได้รับจุลินทรีย์เริ่มต้นในสัตว์ตั้งแต่สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมไปจนถึงฟองน้ำ ทะเล เกิดขึ้นตั้งแต่แรกเกิด และอาจเกิดขึ้นผ่านทางเซลล์สืบพันธุ์ ในพืช กระบวนการตั้งรกรากสามารถเริ่มต้นใต้ดินในเขตรากรอบเมล็ดที่กำลังงอกสเปิร์มโมสเฟียร์หรือมาจากส่วนเหนือดินฟิลโลสเฟียร์และ เขต ดอกหรือแอนโทสเฟียร์^{[ 19 ]}ความเสถียรของจุลินทรีย์ในไรโซสเฟียร์ตลอดหลายชั่วอายุคนขึ้นอยู่กับชนิดของพืช แต่ยิ่งกว่านั้นคือองค์ประกอบของดิน กล่าวคือ สภาพแวดล้อมที่มีชีวิตและไม่มีชีวิต^{[ 20 ]}ในทางคลินิก สามารถรับจุลินทรีย์ใหม่ได้ผ่านการปลูกถ่ายจุลินทรีย์ในอุจจาระเพื่อรักษาการติดเชื้อ เช่นการติดเชื้อC. difficile เรื้อรัง ^{[ 21 ]}

จุลินทรีย์ในร่างกายมนุษย์ประกอบด้วยแบคทีเรียเชื้อราอาร์เคียและไวรัส ไม่รวม จุลินทรีย์ขนาดเล็กที่อาศัยอยู่ในร่างกายมนุษย์จุลินทรีย์ในร่างกายมนุษย์หมายถึงจีโนมโดย รวมของจุลินทรีย์เหล่านี้ ^{[ 15 ]}

มนุษย์มีจุลินทรีย์อาศัยอยู่มากมาย การประมาณการแบบดั้งเดิมระบุว่ามนุษย์มีเซลล์ที่ไม่ใช่ของมนุษย์มากกว่าเซลล์ของมนุษย์ถึงสิบเท่า การประมาณการล่าสุดลดลงเหลือ 3:1 และแม้กระทั่งประมาณ 1:1 ตามจำนวน (1:350 ตามมวล) ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}

ในความเป็นจริง จุลินทรีย์เหล่านี้มีขนาดเล็กมากจนมีจุลินทรีย์ประมาณ 100 ล้านล้านตัวบนร่างกายมนุษย์^{[ 27 ]}ประมาณ 39 ล้านล้านตัวตามการประมาณการที่แก้ไขแล้ว โดยมีมวลรวมเพียง 0.2 กิโลกรัมในร่างกายมนุษย์ "อ้างอิง" ที่ 70 กิโลกรัม^{[ 26 ]}

โครงการHuman Microbiome Projectได้ทำการจัดลำดับจีโนมของจุลินทรีย์ในร่างกายมนุษย์ โดยเน้นที่จุลินทรีย์ที่ปกติอาศัยอยู่ในผิวหนัง ปาก จมูก ทางเดินอาหาร และช่องคลอด^{[ 15 ]}โครงการนี้ประสบความสำเร็จครั้งสำคัญในปี 2012 เมื่อได้เผยแพร่ผลลัพธ์เบื้องต้น^{[ 28 ]}

• สัตว์สะเทินน้ำสะเทินบกมีจุลินทรีย์บนผิวหนัง^{[ 29 ]}บางชนิดสามารถมีเชื้อราชื่อBatrachochytrium dendrobatidisซึ่งในบางชนิดสามารถทำให้เกิดการติดเชื้อChytridiomycosis ที่ร้ายแรงได้ ขึ้นอยู่กับจุลินทรีย์ในร่างกายของพวกมัน ซึ่งอาจต้านทานการตั้งรกรากของเชื้อโรคหรือยับยั้งการเจริญเติบโตของเชื้อโรคด้วยเปปไทด์ต้านจุลินทรีย์บนผิวหนัง^{[ 30 ]}
• ลูกสัตว์มีถุงหน้าท้องแรกเกิดมีเนื้อเยื่อภูมิคุ้มกันที่ยังไม่เจริญเต็มที่ทางด้านเนื้อเยื่อวิทยาและไม่สามารถสร้างระบบภูมิคุ้มกันเฉพาะของตนเองได้ ดังนั้นพวกมันจึงต้องพึ่งพาระบบภูมิคุ้มกันของแม่^{[ 31 ]}และน้ำนม^{[ 32 ]} อย่างมาก เพื่อการป้องกัน สัตว์มีถุงหน้าท้องส่วนใหญ่มีถุงหน้าท้อง และจุลินทรีย์ในร่างกายของพวกมันจะเปลี่ยนแปลงไปตลอดระยะการสืบพันธุ์ ได้แก่ ระยะเป็นสัด ระยะคลอด/เป็นสัด และระยะหลังเป็นสัด^{[ 33 ]}มีการระบุเปปไทด์ต้านจุลชีพในสารคัดหลั่งจากถุงหน้าท้องและผิวหนังบางชนิด ซึ่งคาดว่าช่วยสนับสนุนลูกอ่อนในช่วงเวลาที่เปราะบางนี้
• ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม สัตว์กินพืช เช่น วัว อาศัยจุลินทรีย์ในกระเพาะรู เมน ในการเปลี่ยนเซลลูโลสให้เป็นโปรตีน กรดไขมันสายสั้น และก๊าซ วิธีการเพาะเลี้ยงไม่สามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับจุลินทรีย์ทั้งหมดที่มีอยู่ได้ การศึกษาเมตาจีโนมิกส์เชิงเปรียบเทียบให้ผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจว่าวัวแต่ละตัวมีโครงสร้างชุมชน ฟีโนไทป์ที่คาดการณ์ได้ และศักยภาพในการเผาผลาญที่แตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด^{[ 34 ]}แม้ว่าพวกมันจะได้รับอาหารที่เหมือนกัน ถูกเลี้ยงรวมกัน และเห็นได้ชัดว่ามีฟังก์ชันการทำงานที่เหมือนกันในการใช้ทรัพยากรผนังเซลล์พืช
• หนูเป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่ได้รับการศึกษามากที่สุดเกี่ยวกับไมโครไบโอมของพวกมัน จุลินทรีย์ในลำไส้ได้รับการศึกษาในความสัมพันธ์กับโรคภูมิแพ้ทางเดินหายใจ โรคอ้วน โรคทางเดินอาหาร และโรคเบาหวาน การเปลี่ยนแปลงของจุลินทรีย์ในระยะก่อนและหลังคลอดผ่านยาปฏิชีวนะในปริมาณต่ำสามารถส่งผลกระทบในระยะยาวต่อความไวต่อโรคภูมิแพ้ทางเดินหายใจในอนาคต ความถี่ของกลุ่มย่อยของจุลินทรีย์บางกลุ่มมีความเชื่อมโยงกับความรุนแรงของโรค การมีอยู่ของจุลินทรีย์เฉพาะในช่วงต้นของชีวิตหลังคลอดจะชี้นำการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันในอนาคต^{[ 35 ] [ 36 ]}ในหนูที่ปราศจากเชื้อโรค พบว่าแบคทีเรียในลำไส้บางชนิดสามารถส่งต่อฟีโนไทป์เฉพาะไปยังหนูที่ปราศจากเชื้อโรค ซึ่งส่งเสริมการสะสมของเซลล์ T ควบคุมในลำไส้ใหญ่ และสายพันธุ์ที่ปรับเปลี่ยนไขมันในหนูและความเข้มข้นของเมตาโบไลต์ในลำไส้ใหญ่ส่วนต้น^{[ 37 ]}แนวทางแบบผสมผสานนี้ช่วยให้เข้าใจถึงการมีส่วนร่วมของจุลินทรีย์ต่อชีววิทยาของมนุษย์ในระดับระบบ^{[ 38 ]}แต่เนื้อเยื่อเมือกอื่นๆ เช่น ปอดและช่องคลอดก็ได้รับการศึกษาในความสัมพันธ์กับโรคต่างๆ เช่น โรคหอบหืด โรคภูมิแพ้ และโรคช่องคลอดอักเสบ^{[ 39 ]}
• แมลงมีไมโครไบโอมของตัวเอง ตัวอย่างเช่นมดตัดใบไม้สร้างอาณานิคมใต้ดินขนาดใหญ่เก็บเกี่ยวใบไม้หลายร้อยกิโลกรัมในแต่ละปี และไม่สามารถย่อยเซลลูโลสในใบไม้ได้โดยตรง พวกมันจึงรักษาสวนเชื้อราไว้เป็นแหล่งอาหารหลักของอาณานิคม แม้ว่าเชื้อราเองจะไม่สามารถย่อยเซลลูโลสได้ แต่ชุมชนจุลินทรีย์ที่มีแบคทีเรียหลากหลายชนิดก็สามารถย่อยได้ การวิเคราะห์จีโนมของประชากรจุลินทรีย์เผยให้เห็นยีนจำนวนมากที่มีบทบาทในการย่อยเซลลูโลส โปรไฟล์เอนไซม์ที่ย่อยสลายคาร์โบไฮเดรตที่คาดการณ์ไว้ของไมโครไบโอมนี้คล้ายกับของกระเพาะอาหารวัว แต่องค์ประกอบของสายพันธุ์นั้นแตกต่างกันเกือบทั้งหมด^{[ 40 ]}จุลินทรีย์ในลำไส้ของแมลงวันผลไม้สามารถส่งผลต่อลักษณะของลำไส้ได้ โดยส่งผลต่ออัตราการสร้างเซลล์เยื่อบุผิวใหม่ ระยะห่างระหว่างเซลล์ และองค์ประกอบของเซลล์ชนิดต่างๆ ในเยื่อบุผิว^{[ 41 ]}เมื่อผีเสื้อกลางคืนSpodoptera exiguaติดเชื้อไวรัสบาคุโลไวรัสยีนที่เกี่ยวข้องกับภูมิคุ้มกันจะถูกควบคุมลดลง และปริมาณจุลินทรีย์ในลำไส้จะเพิ่มขึ้น^{[ 42 ]}ในลำไส้ของแมลงวัน เซลล์ เอ็นเทอโรเอนโดครีนจะรับรู้ถึงเมตาโบไลต์ที่ได้จากจุลินทรีย์ในลำไส้ และประสานงานการตอบสนองภูมิคุ้มกันโดยกำเนิดของลำไส้ของโฮสต์ต่อจุลินทรีย์ที่เป็นประโยชน์ ทั้งในด้านต้านแบคทีเรีย กลไก และเมตาโบลิก^{[ 43 ]}
• ปลามีไมโครไบโอมของตัวเอง รวมถึงสายพันธุ์Nothobranchius furzeri (ปลาคิลลิฟิชสีเทอร์ควอยซ์) ซึ่งมีอายุขัยสั้น การถ่ายโอนจุลินทรีย์ในลำไส้จากปลาคิลลิฟิชวัยอ่อนไปยังปลาคิลลิฟิชวัยกลางคนช่วยยืดอายุขัยของปลาคิลลิฟิชวัยกลางคนได้อย่างมีนัยสำคัญ^{[ 44 ]}

จุลินทรีย์ในพืชเพิ่งถูกค้นพบว่ามีต้นกำเนิดมาจากเมล็ด^{[ 46 ]}จุลินทรีย์ที่ส่งผ่านทางเมล็ดจะอพยพเข้าไปในต้นกล้าที่กำลังพัฒนาตามเส้นทางเฉพาะ โดยที่บางกลุ่มจะเคลื่อนไปยังใบและบางกลุ่มจะเคลื่อนไปยังราก^{[ 46 ]}ในแผนภาพด้านขวา จุลินทรีย์ที่เข้ามาอาศัยอยู่ในไรโซสเฟียร์เข้าสู่ราก และเข้ามาอาศัยอยู่ในหัวรุ่นต่อไปผ่านทางลำต้นใต้ดินจะแสดงด้วยสีแดง แบคทีเรียที่มีอยู่ในหัว แม่ ผ่านลำต้นใต้ดิน และอพยพเข้าไปในพืชรวมถึงหัวรุ่นต่อไป จะแสดงด้วยสีน้ำเงิน^{[ 45 ]}

• ดินเป็นแหล่งกักเก็บหลักของแบคทีเรียที่เข้ามาอาศัยอยู่ในหัวมันฝรั่ง
• แบคทีเรียจะถูกดึงดูดมาจากดินโดยไม่ขึ้นอยู่กับสายพันธุ์ของมันฝรั่งมากนัก
• แบคทีเรียอาจเข้าไปอาศัยอยู่ในหัวพืชโดยส่วนใหญ่จากภายในต้นพืชผ่านทางลำต้นใต้ดิน
• จุลินทรีย์แบคทีเรียในหัวมันฝรั่งประกอบด้วยแบคทีเรียที่ส่งต่อจากหัวมันฝรั่งรุ่นหนึ่งไปยังอีกรุ่นหนึ่ง และแบคทีเรียที่ถูกคัดเลือกจากดินจะเข้ามาอาศัยอยู่ในต้นมันฝรั่งผ่านทางราก^{[ 45 ]}

พืชเป็นโฮสต์ที่น่าสนใจสำหรับจุลินทรีย์ เนื่องจากให้สารอาหารหลากหลายชนิด จุลินทรีย์บนพืชอาจเป็นเอพิไฟต์ (พบอยู่บนพืช) หรือเอนโดไฟต์ (พบอยู่ภายในเนื้อเยื่อพืช) ^{[ 47 ] [ 48 ]}โอโอไมซีตและเชื้อราได้พัฒนาลักษณะทางสัณฐานวิทยาที่คล้ายคลึงกันและครอบครองนิเวศวิทยาที่คล้ายคลึงกันผ่านวิวัฒนาการแบบบรรจบกัน พวกมันพัฒนาไฮฟาซึ่งเป็นโครงสร้างคล้ายเส้นใยที่แทรกซึมเข้าไปในเซลล์โฮสต์ ใน สถานการณ์ ที่เป็นประโยชน์ร่วมกันพืชมักจะแลกเปลี่ยนน้ำตาลเฮกโซสกับฟอสเฟตอนินทรีย์จากเชื้อราที่เป็นซิมไบโอต์ มีการคาดการณ์ว่าความสัมพันธ์ที่เก่าแก่มากเช่นนี้ได้ช่วยเหลือพืชเมื่อพวกมันเข้ามาอาศัยอยู่บนบกเป็นครั้งแรก^{[ 17 ] [ 49 ]}แบคทีเรียส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืช (PGPB) ให้บริการที่จำเป็นแก่พืช เช่นการตรึงไนโตรเจนการละลายแร่ธาตุ เช่น ฟอสฟอรัส การสังเคราะห์ฮอร์โมนพืชการเพิ่มการดูดซึมแร่ธาตุโดยตรง และการป้องกันจากเชื้อโรค^{[ 50 ] [ 51 ]} PGPB อาจปกป้องพืชจากเชื้อโรคโดยการแข่งขันกับเชื้อโรคเพื่อแย่งชิงแหล่งที่อยู่อาศัยหรือสารตั้งต้น ผลิตสารเคมี ที่ยับยั้ง หรือเหนี่ยวนำให้เกิดความต้านทานแบบทั่วระบบในพืชเจ้าบ้านต่อเชื้อโรค^{[ 19 ]}

ความสัมพันธ์แบบพึ่งพาอาศัยกันระหว่างโฮสต์และจุลินทรีย์ในร่างกายกำลังอยู่ระหว่างการวิจัยในห้องปฏิบัติการว่าอาจส่งผลต่อระบบภูมิคุ้มกันของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม อย่างไร ^{[ 52 ] [ 53 ]}ในสัตว์หลายชนิด ระบบภูมิคุ้มกันและจุลินทรีย์ในร่างกายอาจมีปฏิสัมพันธ์กันโดยการแลกเปลี่ยนสัญญาณทางเคมี ซึ่งอาจทำให้จุลินทรีย์ในร่างกายมีอิทธิพลต่อปฏิกิริยาและการกำหนดเป้าหมายของ ระบบภูมิคุ้มกัน ^{[ 54 ]}แบคทีเรียสามารถถ่ายทอดจากแม่สู่ลูกได้ผ่านการสัมผัสโดยตรงและหลังคลอด^{[ 55 ]} เมื่อจุลินทรีย์ในร่างกายของทารกก่อตัว ขึ้นแบคทีเรียที่เป็นประโยชน์จะเพิ่มจำนวนขึ้นอย่างรวดเร็วในลำไส้ กระตุ้นให้เกิดการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันหลายอย่างและ "ตั้งโปรแกรม" ระบบภูมิคุ้มกันด้วยผลกระทบที่ยาวนาน^{[ 54 ]}แบคทีเรียสามารถกระตุ้นเนื้อเยื่อน้ำเหลืองที่เกี่ยวข้องกับเยื่อบุลำไส้ ซึ่งทำให้เนื้อเยื่อสามารถผลิตแอนติบอดีต่อเชื้อโรคที่อาจเข้าสู่ลำไส้ได้^{[ 54 ]}

จุลินทรีย์ในลำไส้ของมนุษย์อาจมีบทบาทในการกระตุ้นตัวรับ Toll-likeในลำไส้ ซึ่งเป็นตัวรับการจดจำรูปแบบชนิดหนึ่งที่เซลล์เจ้าบ้านใช้ในการจดจำอันตรายและซ่อมแซมความเสียหาย เชื้อโรคสามารถส่งผลต่อการอยู่ร่วมกันนี้ ทำให้เกิดความผิดปกติของระบบภูมิคุ้มกัน รวมถึงความเสี่ยงต่อโรคต่างๆ กลไกการอักเสบความทนทานต่อภูมิคุ้มกันและโรคภูมิต้านตนเอง^{[ 56 ] [ 57 ]}

สิ่งมีชีวิตวิวัฒนาการภายในระบบนิเวศ โดยที่การเปลี่ยนแปลงของสิ่งมีชีวิตหนึ่งส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงของสิ่งมีชีวิตอื่นๆทฤษฎีวิวัฒนาการแบบโฮโลจีโนมเสนอว่า สิ่งที่ถูกคัดเลือกโดยธรรมชาติไม่ใช่สิ่งมีชีวิตแต่ละตัว แต่เป็นสิ่งมีชีวิตนั้นรวมกับสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง รวมถึงชุมชนจุลินทรีย์ด้วย

แนวปะการังทฤษฎีโฮโลจีโนมมีต้นกำเนิดมาจากการศึกษาเกี่ยวกับแนวปะการัง^{[ 58 ]}แนวปะการังเป็นโครงสร้างที่ใหญ่ที่สุดที่สร้างขึ้นโดยสิ่งมีชีวิต และมีชุมชนจุลินทรีย์ที่อุดมสมบูรณ์และซับซ้อนมาก ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา ประชากรปะการังลดลงอย่างมากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศมลพิษทางน้ำ และการจับปลามากเกินไป เป็นปัจจัยความเครียดสามประการที่ถูกอธิบายว่าเป็นสาเหตุที่ทำให้ปะการังอ่อนแอต่อโรค มีการอธิบายโรคปะการังมากกว่า 20 ชนิด แต่ในจำนวนนี้ มีเพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่มีการแยกและระบุลักษณะของเชื้อก่อโรคได้ โรคปะการังฟอกขาวเป็นโรคที่ร้ายแรงที่สุดในบรรดาโรคเหล่านี้ ในทะเลเมดิเตอร์เรเนียน การฟอกขาวของOculina patagonicaได้รับการอธิบายครั้งแรกในปี 1994 และในไม่ช้าก็พบว่าเกิดจากการติดเชื้อVibrio shiloi ตั้งแต่ปี 1994 ถึง 2002 การฟอกขาวของ O. patagonicaจากแบคทีเรียเกิดขึ้นทุกฤดูร้อนในทะเลเมดิเตอร์เรเนียนตะวันออก อย่างไรก็ตาม ที่น่าประหลาดใจคือ หลังจากปี 2003 O. patagonicaในทะเลเมดิเตอร์เรเนียนตะวันออกมีความต้านทานต่อ การติดเชื้อ V. shiloiแม้ว่าโรคอื่นๆ ยังคงทำให้เกิดการฟอกขาว ความน่าประหลาดใจนี้เกิดจากความรู้ที่ว่าปะการังมีอายุยืนยาว โดยมีอายุขัยอยู่ในระดับหลายสิบปี^{[ 59 ]}และไม่มีระบบภูมิคุ้มกันแบบปรับตัวได้ระบบภูมิคุ้มกันโดยกำเนิดของพวกมันไม่สร้างแอนติบอดี และดูเหมือนว่าพวกมันจะไม่สามารถตอบสนองต่อความท้าทายใหม่ๆ ได้ ยกเว้นในช่วงเวลาวิวัฒนาการ

ปริศนาที่ว่าปะการังสามารถต้านทานเชื้อโรคเฉพาะได้อย่างไร นำไปสู่ข้อเสนอในปี 2007 ว่ามีความสัมพันธ์แบบไดนามิกระหว่างปะการังและชุมชนจุลินทรีย์ที่เป็น symbiont ของพวกมัน เชื่อกันว่าการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของholobiontทำให้สามารถปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงได้เร็วกว่าการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรมและการคัดเลือกเพียงอย่างเดียว การขยายสมมติฐานนี้ไปยังสิ่งมีชีวิตอื่นๆ รวมถึงพืชและสัตว์ชั้นสูง นำไปสู่ข้อเสนอของทฤษฎีวิวัฒนาการของ hologenome ^{[ 58 ]}

ณ ปี 2007 ทฤษฎีโฮโลจีโนมยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่^{[ 60 ]} ข้อวิจารณ์สำคัญประการหนึ่งคือ การอ้างว่าV. shiloiถูกระบุผิดว่าเป็นสาเหตุของการฟอกขาวของปะการัง และการปรากฏตัวของมันในO. patagonica ที่ฟอกขาวนั้น เป็นเพียงการตั้งรกรากแบบฉวยโอกาส^{[ 61 ]}หากเป็นเช่นนั้น การสังเกตพื้นฐานที่นำไปสู่ทฤษฎีก็จะไม่มีผล ทฤษฎีนี้ได้รับความนิยมอย่างมากในฐานะวิธีการอธิบายการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในการปรับตัวที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยกลไกการคัดเลือกโดยธรรมชาติแบบดั้งเดิม ภายในทฤษฎีโฮโลจีโนม โฮโลไบออนต์ไม่เพียงแต่กลายเป็นหน่วยหลักของการคัดเลือกโดยธรรมชาติเท่านั้น แต่ยังเป็นผลมาจากขั้นตอนอื่นๆ ของการบูรณาการที่สังเกตได้ในระดับเซลล์ ( การเกิดร่วมกันของสิ่งมี ชีวิต การ เกิดร่วมกันของสิ่งมีชีวิต ) และระดับจีโนมด้วย^{[ 7 ]}

การจัดลำดับ แอมพลิคอนแบบกำหนดเป้าหมายนั้นอาศัยความคาดหวังเกี่ยวกับองค์ประกอบของชุมชนที่กำลังศึกษาอยู่ ในการจัดลำดับแอมพลิคอนแบบกำหนดเป้าหมาย เครื่องหมายที่มีข้อมูลทางวิวัฒนาการจะถูกกำหนดเป้าหมายสำหรับการจัดลำดับ เครื่องหมายดังกล่าวควรมีอยู่ในสิ่งมีชีวิตที่คาดหวังทั้งหมด และควรมีการวิวัฒนาการในลักษณะที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้มากพอที่ไพรเมอร์จะสามารถกำหนดเป้าหมายยีนจากสิ่งมีชีวิตหลากหลายชนิด ในขณะเดียวกันก็มีการวิวัฒนาการอย่างรวดเร็วพอที่จะช่วยให้สามารถแยกแยะได้ละเอียดขึ้นในระดับอนุกรมวิธาน เครื่องหมายที่ใช้กันทั่วไปในการศึกษาไมโครไบโอมของมนุษย์คือยีนสำหรับ16S rRNA ของแบคทีเรีย ( เช่น "16S rDNA" ซึ่งเป็นลำดับของ DNA ที่เข้ารหัสโมเลกุล RNA ไรโบโซม) ^{[ 62 ]}เนื่องจากไรโบโซมมีอยู่ในสิ่งมีชีวิตทั้งหมด การใช้ 16S rDNA จึงช่วยให้สามารถขยาย DNA จากสิ่งมีชีวิตได้มากกว่าการใช้เครื่องหมายอื่น ยีน 16S rRNA ประกอบด้วยบริเวณที่วิวัฒนาการช้าและบริเวณที่วิวัฒนาการเร็ว 9 บริเวณ หรือที่รู้จักกันในชื่อบริเวณที่มีความแปรผันสูง (HVRs) ^{[ 63 ]}บริเวณแรกสามารถใช้ในการออกแบบไพรเมอร์แบบกว้าง ในขณะที่บริเวณหลังช่วยให้สามารถจำแนกความแตกต่างทางอนุกรมวิธานได้ละเอียดขึ้น อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้วการจำแนกความแตกต่างในระดับสปีชีส์โดยใช้ 16S rDNA นั้นเป็นไปไม่ได้ การเลือกไพรเมอร์เป็นขั้นตอนที่สำคัญ เนื่องจากสิ่งใดก็ตามที่ไม่สามารถกำหนดเป้าหมายโดยไพรเมอร์ได้ จะไม่ถูกขยายและจะไม่สามารถตรวจพบได้ นอกจากนี้ ยังสามารถเลือกใช้ชุดไพรเมอร์ที่แตกต่างกันเพื่อขยาย HVRs ที่แตกต่างกันในยีน หรือคู่ของ HVRs เหล่านั้น การเลือก HVRs ที่เหมาะสมที่จะขยายจะต้องทำตามกลุ่มอนุกรมวิธานที่สนใจ เนื่องจากพบว่าบริเวณเป้าหมายที่แตกต่างกันมีอิทธิพลต่อการจำแนกทางอนุกรมวิธาน^{[ 64 ]}

การศึกษาเป้าหมายของชุมชนยูคาริโอตและไวรัสมีจำกัด^{[ 65 ]}และต้องเผชิญกับความท้าทายในการแยก DNA ของโฮสต์ออกจากการขยายและมวลชีวภาพของยูคาริโอตและไวรัสที่ลดลงในไมโครไบโอมของมนุษย์^{[ 66 ]}

หลังจากทำการหาลำดับเบสของแอมพลิคอนแล้ว จะใช้วิธีการ ทางพันธุศาสตร์ระดับโมเลกุลเพื่ออนุมานองค์ประกอบของชุมชนจุลินทรีย์ ซึ่งสามารถทำได้โดย วิธี การจัดกลุ่มโดยการจัดกลุ่มแอมพลิคอนเป็นหน่วยอนุกรมวิธานปฏิบัติการ (OTUs) หรืออีกทางเลือกหนึ่งคือใช้วิธีการลดสัญญาณรบกวน โดยการระบุตัวแปรของลำดับเบสแอมพลิคอน (ASVs)

จากนั้นจึงอนุมานความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการระหว่างลำดับ เนื่องจากความซับซ้อนของข้อมูล จึงมักกำหนดมาตรวัดระยะทาง เช่น ระยะทาง UniFracระหว่างตัวอย่างไมโครไบโอม และดำเนินการวิธีหลายตัวแปรในขั้นตอนถัดไปบนเมทริกซ์ระยะทาง ประเด็นสำคัญคือขนาดของข้อมูลนั้นกว้างขวาง และต้องใช้วิธีการเพิ่มเติมเพื่อระบุรูปแบบจากข้อมูลที่มีอยู่ เครื่องมือที่ใช้ในการวิเคราะห์ข้อมูล ได้แก่ VAMPS ^{[ 67 ]} QIIME [ ^{68 ]} mothur ^{[ 69 ]}และ DADA2 ^{[ 70 ]}หรือ UNOISE3 ^{[ 71 ]}สำหรับการลดสัญญาณ ^{รบกวน}

เมตาจีโนมิกส์ยังถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในการศึกษาชุมชนจุลินทรีย์^{[ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]}ในการจัดลำดับเมตาจีโนมิกส์ ดีเอ็นเอจะถูกกู้คืนโดยตรงจากตัวอย่างสิ่งแวดล้อมในลักษณะที่ไม่เจาะจงเป้าหมาย โดยมีเป้าหมายเพื่อให้ได้ตัวอย่างที่ไม่ลำเอียงจากยีนทั้งหมดของสมาชิกทั้งหมดในชุมชน การศึกษาล่าสุดใช้การจัดลำดับแบบช็อตกันแซงเกอร์หรือไพโรซีเควนซิงเพื่อกู้คืนลำดับของการอ่าน^{[ 75 ]}จากนั้นสามารถประกอบการอ่านเป็นคอนติ๊กได้ ในการกำหนดเอกลักษณ์ทางวิวัฒนาการของลำดับ จะมีการเปรียบเทียบกับลำดับจีโนมทั้งหมดที่มีอยู่โดยใช้วิธีการต่างๆ เช่นBLASTข้อเสียอย่างหนึ่งของวิธีการนี้คือ สมาชิกจำนวนมากของชุมชนจุลินทรีย์ไม่มีจีโนมที่จัดลำดับเป็นตัวแทน แต่สิ่งนี้ก็ใช้ได้กับการจัดลำดับแอมพลิคอน 16S rRNA เช่นกันและเป็นปัญหาพื้นฐาน^{[ 62 ]}ด้วยการจัดลำดับแบบช็อตกัน (shotgun sequencing) สามารถแก้ไขได้โดยการมีจีโนมที่ไม่รู้จักที่มีความครอบคลุมสูง (50–100x) ซึ่งเป็นการประกอบจีโนม แบบ de novo อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อมีจีโนมที่สมบูรณ์ของสิ่งมีชีวิตที่ไม่รู้จักแล้ว ก็สามารถนำมาเปรียบเทียบทางวิวัฒนาการและจัดวางสิ่งมีชีวิตนั้นไว้ในแผนภูมิวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตได้ โดยการสร้างกลุ่มสิ่งมี ชีวิตใหม่ แนวทางที่กำลังเกิดขึ้นคือการรวมการจัดลำดับแบบช็อตกันเข้ากับข้อมูลการเชื่อมต่อแบบใกล้เคียง ( Hi-C ) เพื่อประกอบจีโนมจุลินทรีย์ที่สมบูรณ์โดยไม่ต้องเพาะเลี้ยง^{[ 76 ]}

แม้ว่าเมตาจีโนมิกส์จะมีข้อจำกัดในเรื่องความพร้อมของลำดับอ้างอิง แต่ข้อได้เปรียบที่สำคัญอย่างหนึ่งของเมตาจีโนมิกส์เหนือการจัดลำดับแอมพลิคอนแบบกำหนดเป้าหมายคือ ข้อมูลเมตาจีโนมิกส์สามารถอธิบายศักยภาพในการทำงานของดีเอ็นเอของชุมชนได้^{[ 77 ] [ 78 ]}การสำรวจยีนแบบกำหนดเป้าหมายไม่สามารถทำเช่นนี้ได้ เนื่องจากจะเปิดเผยเฉพาะความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการระหว่างยีนเดียวกันจากสิ่งมีชีวิตที่แตกต่างกันเท่านั้น การวิเคราะห์การทำงานทำได้โดยการเปรียบเทียบลำดับที่กู้คืนกับฐานข้อมูลคำอธิบายประกอบเมตาจีโนมิกส์ เช่นKEGGจากนั้นสามารถทำนายเส้นทางการเผาผลาญที่ยีนเหล่านี้เกี่ยวข้องได้ด้วยเครื่องมือต่างๆ เช่น MG-RAST ^{[ 79 ]} CAMERA ^{[ 80 ]}และIMG/ M ^{[ 81 ]}

การศึกษาเมตาทรานสคริปโตมิกส์ได้ดำเนินการเพื่อศึกษาการแสดงออกของยีนของชุมชนจุลินทรีย์ผ่านวิธีการต่างๆ เช่น ไพโรซีเควนซิงของ RNA ที่สกัดออกมา^{[ 82 ]}การศึกษาตามโครงสร้างยังได้ระบุRNA ที่ไม่เข้ารหัส (ncRNA) เช่น ไรโบไซม์จากจุลินทรีย์^{[ 83 ]}เมตาโปรตีโอมิกส์เป็นแนวทางที่ศึกษาโปรตีนที่แสดงออกโดยจุลินทรีย์ ซึ่งให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับศักยภาพในการทำงานของจุลินทรีย์^{[ 84 ]}

โครงการHuman Microbiome Project ที่เปิดตัวในปี 2551 เป็นโครงการริเริ่ม ของสถาบันสุขภาพแห่งชาติสหรัฐอเมริกาเพื่อระบุและจำแนกลักษณะของจุลินทรีย์ที่พบในมนุษย์ทั้งที่มีสุขภาพดีและป่วย^{[ 85 ]}โครงการระยะเวลาห้าปีนี้ ซึ่งมีลักษณะเด่นคือเป็นการศึกษาความเป็นไปได้ด้วยงบประมาณ 115 ล้านดอลลาร์สหรัฐ ได้ทดสอบว่าการเปลี่ยนแปลงในไมโครไบโอมของมนุษย์มีความเกี่ยวข้องกับสุขภาพหรือโรคของมนุษย์อย่างไร^{[ 85 ]}

โครงการ Earth Microbiome Project (EMP) เป็นโครงการริเริ่มในการรวบรวมตัวอย่างจากธรรมชาติและวิเคราะห์ชุมชนจุลินทรีย์ทั่วโลก จุลินทรีย์มีจำนวนมาก มีความหลากหลาย และมีบทบาทสำคัญในระบบนิเวศ อย่างไรก็ตาม ในปี 2010 มีการประมาณการว่าความพยายามในการจัดลำดับดีเอ็นเอสิ่งแวดล้อมทั่วโลกได้ผลิตดีเอ็นเอออกมาน้อยกว่า 1 เปอร์เซ็นต์ของดีเอ็นเอทั้งหมดที่พบในน้ำทะเล 1 ลิตรหรือดิน 1 กรัม^{[ 86 ]}และปฏิสัมพันธ์เฉพาะระหว่างจุลินทรีย์ยังไม่เป็นที่รู้จักมากนัก EMP มีเป้าหมายที่จะประมวลผลตัวอย่างมากถึง 200,000 ตัวอย่างในไบโอมต่างๆ เพื่อสร้างฐานข้อมูลจุลินทรีย์ที่สมบูรณ์บนโลก เพื่อจำแนกลักษณะของสภาพแวดล้อมและระบบนิเวศโดยองค์ประกอบและปฏิสัมพันธ์ของจุลินทรีย์ การใช้ข้อมูลเหล่านี้ สามารถเสนอและทดสอบทฤษฎีทางนิเวศวิทยาและวิวัฒนาการใหม่ๆ ได้^{[ 87 ]}

ดีเอ็นเอของจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ในร่างกายมนุษย์สามารถระบุตัวตนของบุคคลนั้นได้อย่างเฉพาะเจาะจง ความเป็นส่วนตัวของบุคคลอาจถูกละเมิดหากบุคคลนั้นบริจาคข้อมูลดีเอ็นเอของจุลินทรีย์โดยไม่เปิดเผยตัวตน สภาพทางการแพทย์และตัวตนของพวกเขาอาจถูกเปิดเผยได้^{[ 88 ] [ 89 ] [ 90 ]}