พยาธิจีโนมิกส์เป็นสาขาที่ใช้ เทคโนโลยี การคัดกรองความเร็วสูงและชีวสารสนเทศเพื่อศึกษาความต้านทานของจุลินทรีย์ที่เข้ารหัสไว้ รวมถึงปัจจัยก่อโรค (VFs) ซึ่งทำให้จุลินทรีย์สามารถติดเชื้อในโฮสต์และอาจก่อให้เกิดโรคได้^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}ซึ่งรวมถึงการศึกษาจีโนมของเชื้อโรคที่ไม่สามารถเพาะเลี้ยงนอกโฮสต์ได้^{[ 4 ]}ในอดีต นักวิจัยและผู้เชี่ยวชาญทางการแพทย์พบว่าการศึกษาและทำความเข้าใจลักษณะก่อโรคของสิ่งมีชีวิตที่ก่อให้เกิดการติดเชื้อนั้นเป็นเรื่องยาก^{[ 5 ]}ด้วยเทคโนโลยีใหม่ จีโนมของเชื้อโรคสามารถระบุและจัดลำดับได้ในเวลาที่สั้นลงและต้นทุนที่ต่ำลง^{[ 6 ] [ 7 ]}จึงช่วยปรับปรุงความสามารถในการวินิจฉัย รักษา และแม้กระทั่งทำนายและป้องกันการติดเชื้อและโรคจากเชื้อโรค^{[ 8 ]}นอกจากนี้ยังช่วยให้นักวิจัยเข้าใจเหตุการณ์วิวัฒนาการของจีโนมได้ดีขึ้น เช่น การสูญเสียยีน การได้มา การทำซ้ำ การจัดเรียงใหม่ และผลกระทบของเหตุการณ์เหล่านั้นต่อความต้านทานของเชื้อโรคและความสามารถในการก่อโรค^{[ 7 ]} การไหลเข้าของข้อมูลนี้ทำให้เกิดความต้องการเครื่องมือและฐานข้อมูลชีวสารสนเทศเพื่อวิเคราะห์และทำให้ข้อมูลจำนวนมหาศาลเข้าถึงได้สำหรับนักวิจัย^{[ 9 ] [ 10 ]}และยังก่อให้เกิดคำถามทางจริยธรรมเกี่ยวกับความเหมาะสมของการสร้างเชื้อโรคที่สูญพันธุ์และอันตรายถึงชีวิตขึ้นมาใหม่เพื่อให้เข้าใจความรุนแรงของโรคได้ดียิ่งขึ้น^{[ 11 ]}

ในช่วงแรกๆ ที่มีการศึกษาจีโนมิกส์ นักวิทยาศาสตร์พบว่าการจัดลำดับข้อมูลทางพันธุกรรมเป็นเรื่องท้าทาย^{[ 12 ]}สาขานี้เริ่มเฟื่องฟูในปี 1977 เมื่อFred Sanger , PhD พร้อมด้วยเพื่อนร่วมงาน ได้จัดลำดับจีโนม DNA ของแบคทีริโอเฟจโดยใช้วิธีการที่ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อวิธีSanger ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}วิธี Sanger สำหรับการจัดลำดับ DNA ได้พัฒนาชีววิทยาโมเลกุลอย่างก้าวกระโดด และนำไปสู่ความสามารถในการจัดลำดับจีโนมของสิ่งมีชีวิตอื่นๆ รวมถึง จีโน มมนุษย์ ทั้งหมด ^{[ 13 ] [ 14 ]}

จี โนม ของ Haemophilus influenzaเป็นหนึ่งในจีโนมของสิ่งมีชีวิตกลุ่มแรกๆ ที่ได้รับการจัดลำดับในปี 1995 โดย J. Craig Venter และ Hamilton Smith โดยใช้การจัดลำดับจีโนมแบบช็อตกัน (whole genome shotgun sequencing ) ^{[ 16 ] [ 14 ]}ตั้งแต่นั้นมา ได้มีการพัฒนาวิธีการจัดลำดับแบบความเร็วสูงที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น เช่น การจัดลำดับจีโนมรุ่นต่อไป (Next Generation Genomic Sequencing หรือ NGS) และการจัดลำดับจีโนมแบบเซลล์เดียว (Single-Cell Genomic Sequencing) ^{[ 14 ]} ในขณะที่วิธีการของ Sanger สามารถจัดลำดับชิ้นส่วน DNA ได้ครั้งละหนึ่งชิ้น แต่เทคโนโลยี NGS สามารถจัดลำดับได้หลายพันลำดับในคราวเดียว^{[ 17 ]} ด้วยความสามารถในการจัดลำดับ DNA อย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดความเข้าใจใหม่ๆ ขึ้น เช่น การค้นพบว่าเนื่องจากจีโนมของโปรคาริโอตมีความหลากหลายมากกว่าที่คิดไว้แต่เดิม จึงจำเป็นต้องจัดลำดับสายพันธุ์หลายสายพันธุ์ในสปีชีส์เดียวกัน แทนที่จะจัดลำดับเพียงไม่กี่สายพันธุ์^{[ 18 ]} E.coliเป็นตัวอย่างหนึ่งที่แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของเรื่องนี้ โดยยีนที่เข้ารหัสปัจจัยก่อโรคในสองสายพันธุ์ของสปีชีส์นี้มีความแตกต่างกันอย่างน้อยร้อยละสามสิบ^{[ 18 ]} ความรู้ดังกล่าว พร้อมกับการศึกษาอย่างละเอียดถี่ถ้วนเกี่ยวกับการได้มา การสูญเสีย และการเปลี่ยนแปลงของจีโนม ทำให้ผู้วิจัยได้รับข้อมูลเชิงลึกที่มีค่าเกี่ยวกับวิธีที่เชื้อโรคมีปฏิสัมพันธ์ในสภาพแวดล้อมของโฮสต์ และวิธีที่เชื้อโรคสามารถติดเชื้อโฮสต์และก่อให้เกิดโรคได้^{[ 18 ] [ 12 ]}

ด้วยปริมาณข้อมูลใหม่จำนวนมากนี้ ทำให้เกิดความต้องการด้านชีวสารสนเทศที่สูงขึ้น เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์สามารถวิเคราะห์ข้อมูลใหม่ได้อย่างถูกต้อง ด้วยเหตุนี้จึงมีการพัฒนาซอฟต์แวร์และเครื่องมืออื่นๆ ขึ้นมา^{[ 9 ] [ 19 ]} นอกจากนี้ ตั้งแต่ปี 2008 ปริมาณลำดับที่จัดเก็บไว้เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกๆ 18 เดือน ทำให้มีความจำเป็นเร่งด่วนในการหาวิธีที่ดีกว่าในการจัดระเบียบข้อมูลและช่วยในการวิจัย^{[ 20 ]} ด้วยเหตุนี้จึงมีการสร้างฐานข้อมูลและแหล่งข้อมูลอื่นๆ ที่เข้าถึงได้โดยสาธารณะมากมาย รวมถึงโปรแกรมตรวจจับเชื้อโรคของ NCBI, ศูนย์บูรณาการทรัพยากรระบบพยาธิวิทยา (PATRIC), ^{[ 21 ]} Pathogenwatch, ^{[ 22 ]}ฐาน ข้อมูล ปัจจัยก่อโรค (VFDB) ของแบคทีเรียก่อโรค, ^{[ 23 ] [ 2 ] [ 20 ]}ฐานข้อมูล Victors ของปัจจัยก่อโรคในเชื้อโรคของมนุษย์และสัตว์^{[ 24 ]}จนถึงปี 2022 เชื้อโรคที่มีการจัดลำดับมากที่สุดคือSalmonella entericaและE. coli - Shigella ^{[ 9 ]}เทคโนโลยีการจัดลำดับ เครื่องมือชีวสารสนเทศ ฐานข้อมูล สถิติที่เกี่ยวข้องกับจีโนมของเชื้อโรค และการประยุกต์ใช้ในนิติเวชศาสตร์ ระบาดวิทยา การปฏิบัติทางคลินิก และความปลอดภัยของอาหารได้รับการทบทวนอย่างกว้างขวาง^{[ 9 ]}

เชื้อก่อโรคอาจเป็นโปรคาริโอต ( อาร์เคียหรือแบคทีเรีย ) ยูคาริโอตเซลล์เดียวหรือไวรัสโดยทั่วไปแล้วจีโนมของโปรคาริโอตจะง่ายต่อการจัดลำดับเนื่องจากขนาดจีโนมเล็กกว่ายูคาริโอต ด้วยเหตุนี้จึงมีอคติในการรายงาน พฤติกรรม ของแบคทีเรียก่อโรคแม้จะมีอคติในการรายงานนี้ เหตุการณ์ทางจีโนมแบบไดนามิกหลายอย่างก็คล้ายคลึงกันในสิ่งมีชีวิตก่อโรคทุกประเภท วิวัฒนาการของจีโนมเกิดขึ้นผ่านการเพิ่มยีน การสูญเสียยีน และการจัดเรียงจีโนมใหม่ และ "เหตุการณ์" เหล่านี้พบได้ในจีโนมของเชื้อก่อโรคหลายชนิด โดยแบคทีเรียก่อโรคบางชนิดประสบกับทั้งสามอย่าง^{[ 12 ]} อย่างไรก็ตาม จีโนมิกส์ของเชื้อก่อโรคไม่ได้มุ่งเน้นเฉพาะการทำความเข้าใจปฏิสัมพันธ์ระหว่างเชื้อก่อโรคกับโฮสต์เท่านั้น ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับพฤติกรรมของเชื้อก่อโรคแต่ละตัวหรือแบบร่วมมือกันให้ความรู้เกี่ยวกับการพัฒนาหรือการสืบทอดปัจจัยก่อโรค^{[ 12 ]}ด้วยความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับหน่วยย่อยขนาดเล็กที่ก่อให้เกิดการติดเชื้อ อาจเป็นไปได้ที่จะพัฒนายาใหม่ที่มีประสิทธิภาพและคุ้มค่า^{[ 25 ]}

จีโนมแบบไดนามิกที่มีความยืดหยุ่นสูงเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้เชื้อโรค โดยเฉพาะแบคทีเรีย สามารถอยู่รอดได้ในสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลง^{[ 18 ]} ด้วยความช่วยเหลือของวิธีการจัดลำดับจีโนมแบบความเร็วสูงและ เทคโนโลยี อินซิลิโกทำให้สามารถตรวจจับ เปรียบเทียบ และจัดทำรายการเหตุการณ์ทางจีโนมแบบไดนามิกเหล่านี้ได้มากมาย ความหลากหลายทางจีโนมมีความสำคัญเมื่อตรวจจับและรักษาเชื้อโรค เนื่องจากเหตุการณ์เหล่านี้สามารถเปลี่ยนแปลงการทำงานและโครงสร้างของเชื้อโรคได้^{[ 26 ] [ 27 ]}มีความจำเป็นต้องวิเคราะห์ลำดับจีโนมมากกว่าหนึ่งลำดับของสายพันธุ์เชื้อโรคเพื่อทำความเข้าใจกลไกของเชื้อโรค จีโนมิก ส์เชิงเปรียบเทียบเป็นวิธีการที่ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเปรียบเทียบจีโนมของสายพันธุ์และชนิดต่างๆ ได้^{[ 28 ]} มีตัวอย่างการศึกษาจีโนมิกส์เชิงเปรียบเทียบที่ประสบความสำเร็จหลายตัวอย่าง เช่น การวิเคราะห์Listeria ^{[ 29 ]}และEscherichia coli [ ^{30 ] การ}ศึกษาบางชิ้นได้พยายามที่จะกล่าวถึงความแตกต่างระหว่าง จุลินทรีย์ ก่อโรคและจุลินทรีย์ที่ไม่ก่อโรคอย่างไรก็ตาม การสอบถามนี้พิสูจน์แล้วว่าทำได้ยาก เนื่องจากแบคทีเรียชนิดเดียวอาจมีหลายสายพันธุ์ และเนื้อหาจีโนมของแต่ละสายพันธุ์เหล่านี้แตกต่างกัน^{[ 30 ]}

สายพันธุ์จุลินทรีย์และเนื้อหาจีโนมที่แตกต่างกันเกิดจากแรงต่างๆ รวมถึงเหตุการณ์วิวัฒนาการเฉพาะ 3 อย่างที่มีผลกระทบต่อความต้านทานของเชื้อโรคและความสามารถในการก่อโรค ได้แก่ การเพิ่มยีน การสูญเสียยีน และการจัดเรียงจีโนมใหม่^{[ 12 ]}

การสูญเสียยีนเกิดขึ้นเมื่อยีนถูกลบ สาเหตุที่เกิดเหตุการณ์นี้ยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้^{[ 31 ]}แม้ว่าน่าจะเกี่ยวข้องกับการปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมใหม่หรือ แหล่งที่ อยู่อาศัยทางนิเวศวิทยา^{[ 32 ] [ 33 ]} นักวิจัยบางคนเชื่อว่าการสูญเสียยีนอาจเพิ่มความเหมาะสมและการอยู่รอดในหมู่เชื้อโรคได้^{[ 31 ]} ในสภาพแวดล้อมใหม่ ยีนบางตัวอาจไม่จำเป็นต่อการอยู่รอด ดังนั้นการกลายพันธุ์จึง "ได้รับอนุญาต" ในยีนเหล่านั้นจนกระทั่งกลายเป็น " ยีนเทียม " ที่ไม่ทำงาน ^{[ 32 ]} พบยีนเทียมเหล่านี้ในสิ่งมีชีวิต เช่นShigella flexneri , Salmonella enterica [ ^{34 ]}และYersinia pestis [ ^{32 ] เมื่อ} เวลาผ่านไป ยีนเทียมจะถูกลบ และสิ่งมีชีวิตจะพึ่งพาโฮสต์อย่างสมบูรณ์ ไม่ว่าจะเป็น^เอนโดซิมไบออนต์หรือเชื้อโรคภายในเซลล์ที่จำเป็นดังที่พบในBuchnera , Myobacterium lepraeและChlamydia trachomatis ^{[ 32 ]} ยีนที่ถูกลบเหล่านี้ยังเรียกว่ายีนต้านความรุนแรง (AVG) เนื่องจากเชื่อกันว่ายีนเหล่านี้อาจป้องกันไม่ให้สิ่งมีชีวิตก่อโรคได้^{[ 32 ]} เพื่อให้มีความรุนแรงมากขึ้น ติดเชื้อโฮสต์ และดำรงชีวิตอยู่ได้ เชื้อก่อโรคต้องกำจัด AVG เหล่านั้น^{[ 32 ]} กระบวนการย้อนกลับก็สามารถเกิดขึ้นได้เช่นกัน ดังที่เห็นได้จากการวิเคราะห์ สายพันธุ์ Listeria ซึ่งแสดงให้เห็นว่าขนาดจีโนมที่ลดลงนำไปสู่สายพันธุ์ Listeriaที่ไม่ก่อโรคจากสายพันธุ์ที่ก่อโรค^{[ 29 ]}มีการพัฒนาระบบเพื่อตรวจจับยีนเทียม/AVG เหล่านี้ในลำดับจีโนม^{[ 7 ]}

หนึ่งในแรงผลักดันสำคัญที่ทำให้เกิดการเพิ่มจำนวนยีนคือการถ่ายโอนยีนแนวนอน (LGT) ^{[ 35 ]}สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการศึกษาจุลินทรีย์ เนื่องจากองค์ประกอบทางพันธุกรรมที่เคลื่อนที่ได้เหล่านี้อาจนำปัจจัยก่อโรคเข้าสู่จีโนมใหม่^{[ 36 ]} การศึกษาเปรียบเทียบที่ดำเนินการโดย Gill et al. ในปี 2548 ตั้งสมมติฐานว่า LGT อาจเป็นสาเหตุของความแปรปรวนของเชื้อก่อโรคระหว่างStaphylococcus epidermidisและStaphylococcus aureus [ ^{37 ] อย่างไรก็ตาม}ยังคงมีความสงสัยเกี่ยวกับความถี่ของ LGT การระบุ และผลกระทบของมัน^{[ 38 ]} มีการใช้วิธีการใหม่และปรับปรุงแล้ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการศึกษาพันธุศาสตร์เพื่อตรวจสอบการมีอยู่และผลกระทบของ LGT ^{[ 39 ]} การเพิ่มจำนวนยีนและการจำลองยีนมีความสมดุลกับการสูญเสียยีน ดังนั้นแม้จะมีลักษณะที่เปลี่ยนแปลงได้ แต่จีโนมของแบคทีเรียชนิดหนึ่งก็ยังคงมีขนาดใกล้เคียงเดิม^{[ 40 ]}

ลำดับการแทรกทางพันธุกรรมที่เคลื่อนที่ได้สามารถมีบทบาทในกิจกรรมการจัดเรียงจีโนมใหม่ ได้ ^{[ 41 ]} พบว่าเชื้อก่อโรคที่ไม่ได้อาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมที่แยกตัวออกมามีองค์ประกอบลำดับการแทรกจำนวนมากและส่วนของ DNA ที่ซ้ำกันหลายส่วน^{[ 18 ]}เชื่อกันว่าการรวมกันขององค์ประกอบทางพันธุกรรมทั้งสองนี้ช่วยในการเกิดการรวมตัวกันแบบโฮโมโลจัสมีเชื้อก่อโรค เช่นBurkholderia mallei [ ^{42 ]}และBurkholderia pseudomallei ^{[ 43 ]}ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามีการจัดเรียงจีโนมใหม่ทั่วทั้งจีโนมเนื่องจาก ลำดับ ^การแทรก และส่วนของ DNA ที่ซ้ำกัน^{[ 18 ]} ในขณะนี้ ยังไม่มีการศึกษาใดที่แสดงให้เห็นว่าเหตุการณ์การจัดเรียงจีโนมใหม่ทั่วทั้งจีโนมทำให้เกิดพฤติกรรมก่อโรคในจุลินทรีย์โดยตรง ซึ่งไม่ได้หมายความว่าเป็นไปไม่ได้ อย่างไรก็ตาม การจัดเรียงจีโนมใหม่ทั่วทั้งจีโนมมีส่วนช่วยให้จีโนมของแบคทีเรียมีความยืดหยุ่น ซึ่งอาจเตรียมเงื่อนไขสำหรับปัจจัยอื่นๆ ในการนำหรือสูญเสียปัจจัยก่อโรค^{[ 18 ]}

โพลีมอร์ฟิซึมของนิวคลีโอไทด์เดี่ยวหรือ SNP ช่วยให้เกิดความแปรผันทางพันธุกรรมมากมายในมนุษย์และเชื้อโรค นักวิจัยสามารถประเมินปัจจัยต่างๆ ได้ เช่น ผลกระทบของสารพิษในสิ่งแวดล้อม วิธีการรักษาที่แตกต่างกันส่งผลต่อร่างกายอย่างไร และอะไรเป็นสาเหตุที่ทำให้บุคคลมีแนวโน้มที่จะเป็นโรค^{[ 44 ]} SNP มีบทบาทสำคัญในการทำความเข้าใจว่าการกลายพันธุ์เกิดขึ้นได้อย่างไรและเพราะเหตุใด SNP ยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถทำแผนที่จีโนมและวิเคราะห์ข้อมูลทางพันธุกรรมได้^{[ 44 ]}

ภาพรวมแพนจีโนม คำจำกัดความล่าสุดของสปีชีส์แบคทีเรียมาจากยุคก่อนจีโนมิกส์ ในปี 1987 มีการเสนอว่าสายพันธุ์แบคทีเรียที่แสดงการจับคู่ DNA·DNA มากกว่า 70% และมีลักษณะฟีโนไทป์ที่คล้ายคลึงกัน ควรพิจารณาว่าเป็นสายพันธุ์ของสปีชีส์เดียวกัน^{[ 45 ]}ความหลากหลายภายในจีโนมของเชื้อก่อโรคทำให้ยากที่จะระบุจำนวนยีนทั้งหมดที่เกี่ยวข้องภายในสายพันธุ์ทั้งหมดของสปีชีส์เชื้อก่อโรค^{[ 45 ]}มีความคิดว่าจำนวนยีนทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับสปีชีส์เชื้อก่อโรคเพียงสปีชีส์เดียวอาจมีจำนวนไม่จำกัด^{[ 45 ]}แม้ว่าบางกลุ่มกำลังพยายามหาค่าเชิงประจักษ์เพิ่มเติม^{[ 46 ]}ด้วยเหตุนี้ จึงจำเป็นต้องนำแนวคิดของแพนจีโนมและคอร์จีโนม มาใช้ ^{[ 47 ]}วรรณกรรมเกี่ยวกับแพนจีโนมและคอร์จีโนมยังมีแนวโน้มที่จะมีอคติในการรายงานเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตก่อโรคโปรคาริโอต ควรใช้ความระมัดระวังเมื่อขยายความหมายของแพนจีโนมหรือคอร์จีโนมไปใช้กับสิ่งมีชีวิตก่อโรคอื่นๆ เนื่องจากยังไม่มีหลักฐานที่แน่ชัดเกี่ยวกับคุณสมบัติของแพนจีโนมเหล่านี้

จีโนมหลักคือชุดยีนที่พบในทุกสายพันธุ์ของเชื้อก่อโรค^{[ 45 ]}แพนจีโนมคือยีนพูลทั้งหมดของเชื้อก่อโรคชนิดนั้น และรวมถึงยีนที่ไม่พบในทุกสายพันธุ์^{[ 45 ]}แพนจีโนมอาจเป็นแบบเปิดหรือแบบปิด ขึ้นอยู่กับว่าการวิเคราะห์เปรียบเทียบหลายสายพันธุ์เผยให้เห็นว่าไม่มียีนใหม่ (แบบปิด) หรือมียีนใหม่จำนวนมาก (แบบเปิด) เมื่อเทียบกับจีโนมหลักของเชื้อก่อโรคชนิดนั้น^{[ 12 ]}ในแพนจีโนมแบบเปิด ยีนอาจถูกจำแนกเพิ่มเติมเป็นยีนที่ไม่จำเป็นหรือยีนเฉพาะสายพันธุ์ ยีนที่ไม่จำเป็นคือยีนที่พบในมากกว่าหนึ่งสายพันธุ์ แต่ไม่พบในทุกสายพันธุ์ของเชื้อก่อโรค^{[ 47 ]}ยีนเฉพาะสายพันธุ์คือยีนที่พบเฉพาะในสายพันธุ์เดียวของเชื้อก่อโรค^{[ 47 ]}ความแตกต่างในแพนจีโนมสะท้อนให้เห็นถึงวิถีชีวิตของสิ่งมีชีวิต ตัวอย่างเช่นStreptococcus agalactiaeซึ่งมีอยู่ในแหล่งที่อยู่อาศัยทางชีวภาพที่หลากหลาย มีแพนจีโนมที่กว้างกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับBacillus anthracisที่ แยกตัวอยู่ในสิ่งแวดล้อมมากกว่า ^{[ 18 ]} แนวทาง จีโนมิกส์เชิงเปรียบเทียบยังถูกนำมาใช้เพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับแพนจีโนมมากขึ้น^{[ 48 ]}การค้นพบเมื่อเร็วๆ นี้แสดงให้เห็นว่าจำนวนสายพันธุ์ใหม่ยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยมีแบคทีริโอเฟจประมาณ 10 ³¹ ตัว บนโลก และแบคทีริโอเฟจเหล่านั้นติดเชื้อแบคทีริโอเฟจอื่นๆ อีก 10 ²⁴ตัวต่อวินาที การไหลเวียนอย่างต่อเนื่องของสารพันธุกรรมที่แลกเปลี่ยนกันนั้นยากที่จะจินตนาการได้^{[ 45 ]}

องค์ประกอบทางพันธุกรรมหลายอย่างของเชื้อก่อโรคที่ส่งผลกระทบต่อมนุษย์มีส่วนช่วยในการถ่ายทอดปัจจัยก่อโรค ได้แก่พลาสมิดเกาะก่อโรคโปรฟาจ แบคทีริโอฟาจ ทรานสโพซอน และองค์ประกอบการรวมตัวและการถ่ายโอนยีน^{[ 12 ] [ 49 ]} เกาะก่อโรคและการตรวจจับเกาะเหล่านี้เป็นจุดสนใจของความพยายามทางชีวสารสนเทศหลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับจีโนมิ กส์ของเชื้อก่อโรค ^{[ 50 ] [ 51 ]} เป็นความเชื่อทั่วไปว่า "สายพันธุ์แบคทีเรียในสิ่งแวดล้อม" ขาดความสามารถในการทำอันตรายหรือสร้างความเสียหายต่อมนุษย์ อย่างไรก็ตาม การศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นว่าแบคทีเรียจากสิ่งแวดล้อมทางน้ำได้รับสายพันธุ์ก่อโรคผ่านวิวัฒนาการ ซึ่งทำให้แบคทีเรียมีลักษณะทางพันธุกรรมที่หลากหลายมากขึ้นและอาจก่อให้เกิดภัยคุกคามต่อมนุษย์ซึ่งมีความต้านทานต่อยาปฏิชีวนะมากขึ้น^{[ 49 ]}

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์กับโฮสต์มักจะบดบังการพิจารณาปฏิสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์ด้วยกันเอง อย่างไรก็ตาม ปฏิสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์ด้วยกันเองอาจนำไปสู่ภาวะเจ็บป่วยเรื้อรังที่ยากต่อการทำความเข้าใจและรักษา^{[ 8 ]}

ไบโอฟิล์มเป็นตัวอย่างของปฏิสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์ และเชื่อกันว่าเกี่ยวข้องกับการติดเชื้อในมนุษย์มากถึง 80% ^{[ 52 ]}เมื่อเร็วๆ นี้ ได้มีการแสดงให้เห็นว่ามียีนและโปรตีนบนพื้นผิวเซลล์เฉพาะที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของไบโอฟิล์ม^{[ 53 ]}ยีนเหล่านี้และโปรตีนบนพื้นผิวเซลล์อาจถูกระบุลักษณะผ่าน วิธี การทางคอมพิวเตอร์เพื่อสร้างโปรไฟล์การแสดงออกของแบคทีเรียที่โต้ตอบกับไบโอฟิล์ม^{[ 8 ]}โปรไฟล์การแสดงออกนี้สามารถนำไปใช้ในการวิเคราะห์จุลินทรีย์อื่นๆ ในภายหลังเพื่อทำนายพฤติกรรมของจุลินทรีย์ในไบโอฟิล์ม หรือเพื่อทำความเข้าใจวิธีการทำลายการก่อตัวของไบโอฟิล์ม^{[ 8 ]}

เชื้อโรคมีความสามารถในการปรับตัวและควบคุมเซลล์เจ้าบ้าน โดยใช้ประโยชน์จากกระบวนการและกลไกของเซลล์เจ้าบ้านอย่างเต็มที่^{[ 8 ]}

จุลินทรีย์อาจได้รับอิทธิพลจากโฮสต์เพื่อปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมใหม่หรือเรียนรู้ที่จะหลีกเลี่ยงสภาพแวดล้อมนั้น ความเข้าใจในพฤติกรรมเหล่านี้จะให้ข้อมูลเชิงลึกที่เป็นประโยชน์สำหรับการบำบัดรักษาที่เป็นไปได้ โครงร่างโดยละเอียดที่สุดของโครงการริเริ่มปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฮสต์และจุลินทรีย์นั้นได้ระบุไว้ในวาระการวิจัย Pathogenomics European Research Agenda ^{[ 8 ]}รายงานดังกล่าวเน้นคุณลักษณะต่อไปนี้:

• การวิเคราะห์ไมโครอาร์เรย์ของการแสดงออกของยีนโฮสต์และจุลินทรีย์ระหว่างการติดเชื้อมีความสำคัญต่อการระบุการแสดงออกของปัจจัยก่อโรคที่ทำให้เชื้อก่อโรคสามารถอยู่รอดจากกลไกการป้องกันของโฮสต์ได้^{[ 8 ]}เชื้อก่อโรคมักจะมีการเปลี่ยนแปลงหลายอย่างเพื่อทำลายระบบภูมิคุ้มกันของโฮสต์ ในบางกรณีอาจส่งเสริมสถานะจีโนมที่มีความแปรปรวนสูง^{[ 54 ]}การศึกษาการแสดงออกของจีโนมจะได้รับการเสริมด้วยการศึกษาเครือข่ายปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีน^{[ 8 ]}
• การใช้ RNA interference (RNAi) เพื่อระบุหน้าที่ของเซลล์เจ้าบ้านในการตอบสนองต่อการติดเชื้อการติดเชื้อขึ้นอยู่กับความสมดุลระหว่างลักษณะของเซลล์เจ้าบ้านและเซลล์ก่อโรค ในบางกรณี อาจมีการตอบสนองของเจ้าบ้านต่อการติดเชื้อมากเกินไป เช่น ในโรคเยื่อหุ้มสมองอักเสบ ซึ่งอาจทำให้ร่างกายของเจ้าบ้านรับมือไม่ไหว^{[ 8 ]}การใช้ RNA จะทำให้สามารถระบุได้อย่างชัดเจนยิ่งขึ้นว่าเซลล์เจ้าบ้านป้องกันตัวเองอย่างไรในช่วงเวลาของการติดเชื้อเฉียบพลันหรือเรื้อรัง^{[ 55 ]}สิ่งนี้ยังได้รับการประยุกต์ใช้สำเร็จใน Drosophila ด้วย^{[ 55 ]}
• ไม่ใช่ว่าการโต้ตอบของจุลินทรีย์ทั้งหมดในสภาพแวดล้อมของโฮสต์จะเป็นอันตรายเสมอ ไป จุลินทรีย์ ที่เป็นประโยชน์ซึ่งมีอยู่ในสภาพแวดล้อมต่างๆ ในสัตว์และมนุษย์อาจช่วยต่อสู้กับการติดเชื้อจุลินทรีย์ได้^{[ 8 ]}จุลินทรีย์ในร่างกายมนุษย์เช่น ในลำไส้ เป็นต้น เป็นที่อยู่ของจุลินทรีย์มากมาย^{[ 56 ]}

ชุมชนจุลินทรีย์ที่หลากหลายภายในลำไส้ได้รับการยกย่องว่ามีความสำคัญต่อสุขภาพของมนุษย์ มีโครงการหลายโครงการที่กำลังดำเนินการอยู่เพื่อทำความเข้าใจระบบนิเวศของลำไส้ให้ดียิ่งขึ้น^{[ 57 ]} ตัวอย่างเช่น ลำดับของ สายพันธุ์ Escherichia coli SE11 ที่เป็นประโยชน์ต่อร่างกายได้รับการกำหนดแล้วจากอุจจาระของมนุษย์ที่มีสุขภาพดี และคาดว่าจะเป็นการศึกษาครั้งแรกจากหลายๆ การศึกษา^{[ 58 ]}ผ่านการวิเคราะห์จีโนมและการวิเคราะห์โปรตีนในภายหลัง จะมีการศึกษาเพื่อทำความเข้าใจคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ของจุลินทรีย์ที่เป็นประโยชน์ต่อร่างกายให้ดียิ่งขึ้น โดยหวังว่าจะเข้าใจวิธีการสร้างการรักษาที่ดีขึ้น^{[ 59 ]}

มุมมอง "eco-evo" เกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างเชื้อโรคและโฮสต์เน้นย้ำถึงอิทธิพลของนิเวศวิทยาและสิ่งแวดล้อมต่อวิวัฒนาการของเชื้อโรค^{[ 12 ]}ปัจจัยทางพันธุกรรมแบบไดนามิก เช่น การสูญเสียยีน การเพิ่มยีน และการจัดเรียงจีโนมใหม่ ล้วนได้รับอิทธิพลอย่างมากจากการเปลี่ยนแปลงในนิเวศวิทยาเฉพาะถิ่นที่สายพันธุ์จุลินทรีย์อาศัยอยู่ จุลินทรีย์อาจเปลี่ยนจากก่อโรคเป็นไม่ก่อโรคได้เนื่องจากสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงไป^{[ 29 ]}สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วในระหว่างการศึกษาโรคระบาดYersinia pestisซึ่งเห็นได้ชัดว่าวิวัฒนาการจากเชื้อโรคในระบบทางเดินอาหารที่ไม่รุนแรงไปเป็นจุลินทรีย์ที่ก่อโรคสูงมากผ่านเหตุการณ์ทางพันธุกรรมแบบไดนามิก^{[ 60 ]}เพื่อให้เกิดการตั้งรกราก จะต้องมีการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบทางชีวเคมีเพื่อช่วยให้รอดชีวิตในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย ซึ่งน่าจะเป็นผลมาจากกลไกที่ทำให้เซลล์สามารถรับรู้การเปลี่ยนแปลงภายในสิ่งแวดล้อม จึงส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงในการแสดงออกของยีน^{[ 61 ]}การทำความเข้าใจว่าการเปลี่ยนแปลงสายพันธุ์เหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไร จากที่มีระดับความรุนแรงต่ำหรือไม่ก่อโรค ไปสู่การก่อโรคสูง และในทางกลับกัน อาจช่วยในการพัฒนายารักษาใหม่สำหรับการติดเชื้อจุลินทรีย์^{[ 12 ]}

สุขภาพของมนุษย์ดีขึ้นอย่างมากและอัตราการเสียชีวิตลดลงอย่างมากนับตั้งแต่สงครามโลกครั้งที่สองเนื่องจากสุขอนามัยที่ดีขึ้นอันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงกฎระเบียบด้านสาธารณสุข รวมถึงวัคซีนและยาปฏิชีวนะที่หาได้ง่ายขึ้น^{[ 62 ]} พันธุศาสตร์ชีวภาพจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ขยายความรู้เกี่ยวกับจุลินทรีย์ก่อโรคและไม่ก่อโรค ทำให้สามารถพัฒนาวัคซีนใหม่และปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้นได้^{[ 62 ]} พันธุศาสตร์ชีวภาพยังมีนัยสำคัญในวงกว้าง รวมถึงการป้องกันการก่อการร้ายทางชีวภาพ^{[ 62 ]}

วัคซีนวิทยาแบบย้อนกลับค่อนข้างใหม่ แม้ว่าการวิจัยยังคงดำเนินอยู่ แต่ก็มีความก้าวหน้าเกิดขึ้นกับเชื้อโรค เช่นStreptococcusและMeningitis ^{[ 63 ]}วิธีการผลิตวัคซีน เช่น วิธีทางชีวเคมีและทางซีรั่มวิทยา ยุ่งยากและไม่น่าเชื่อถือ ต้องใช้เชื้อโรคในหลอดทดลองจึงจะมีประสิทธิภาพ^{[ 64 ]} ความก้าวหน้าใหม่ในการพัฒนาจีโนมช่วย ในการทำนายความแปรผันเกือบทั้งหมดของเชื้อโรค จึงทำให้เกิดความก้าวหน้าในการพัฒนาวัคซีน^{[ 64 ] กำลังมีการพัฒนาวัคซีนที่ใช้โปรตีนเป็นพื้นฐานเพื่อ ต่อสู้}กับเชื้อโรคที่ดื้อยา เช่นStaphylococcusและChlamydia ^{[ 63} ]

ในปี 2548 ลำดับพันธุกรรมของไวรัสไข้หวัดใหญ่สเปน ปี 1918 เสร็จสมบูรณ์ พร้อมกับ การวิเคราะห์ ทางวิวัฒนาการทำให้สามารถให้รายละเอียดเกี่ยวกับการวิวัฒนาการและพฤติกรรมของไวรัส โดยเฉพาะอย่างยิ่งการปรับตัวเข้ากับมนุษย์^{[ 65 ]}หลังจากการจัดลำดับพันธุกรรมของไวรัสไข้หวัดใหญ่สเปนแล้ว เชื้อก่อโรคก็ได้รับการสร้างขึ้นใหม่เช่นกัน เมื่อนำไปใส่ในหนูทดลอง เชื้อก่อโรคนี้พิสูจน์แล้วว่าเป็นอันตรายถึงชีวิตอย่างเหลือเชื่อ^{[ 66 ] [ 11 ]}การโจมตีด้วยเชื้อแอนแทรกซ์ใน ปี 2544 ทำให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการ ก่อการ ร้ายทางชีวภาพว่าเป็นภัยคุกคามที่แท้จริงมากกว่าที่คิดไว้ การก่อการร้ายทางชีวภาพถูกคาดการณ์ไว้ในสงครามอิรัก โดยทหารได้รับการฉีดวัคซีนป้องกันการโจมตีด้วยโรคฝีดาษ^{[ 67 ]}การใช้เทคโนโลยีและความเข้าใจที่ได้จากการสร้างไวรัสไข้หวัดใหญ่สเปนขึ้นใหม่ อาจสามารถป้องกันการระบาดของโรคที่ร้ายแรงในอนาคตได้ อย่างไรก็ตาม มีข้อกังวลด้านจริยธรรมอย่างมากว่าการฟื้นคืนชีพของไวรัสเก่ามีความจำเป็นหรือไม่ และก่อให้เกิดอันตรายมากกว่าประโยชน์หรือไม่^{[ 11 ] [ 68 ]} แนวทางที่ดีที่สุดในการรับมือกับภัยคุกคามดังกล่าวคือการประสานงานกับองค์กรที่ให้บริการด้านการสร้างภูมิคุ้มกัน การเพิ่มความตระหนักและการมีส่วนร่วมจะช่วยลดประสิทธิภาพของการระบาดที่อาจเกิดขึ้นได้อย่างมาก มาตรการเพิ่มเติมนี้คือการตรวจสอบแหล่งน้ำธรรมชาติเพื่อเป็นพื้นฐานในการป้องกันการโจมตีหรือการระบาด โดยรวมแล้ว การสื่อสารระหว่างห้องปฏิบัติการและองค์กรขนาดใหญ่ เช่น เครือข่ายการแจ้งเตือนและการตอบสนองการระบาดทั่วโลก (GOARN) สามารถนำไปสู่การตรวจพบตั้งแต่เนิ่นๆ และป้องกันการระบาดได้^{[ 62 ]}

• ไซเบอร์ไบโอซีเคียวริตี้  – สาขาใหม่ของความปลอดภัยทางคอมพิวเตอร์