一、微生物體簡介與研發面臨的挑戰

生物體內或是在環境中(如土壤)的微生物集合稱為微生物相(microbiota)，其集體的基因體組合則稱為微生物體(Microbiome)。微生物相與宿主健康密切相關，例如：腸道微生物相能影響免疫恆定(immune homeostasis)、消化功能，並生成必要胺基酸與維他命以及預防腸道發炎與癌症等慢性病發生；同時，腸道微生物也能透過與外來致病菌競爭營養與生存空間的方式保護人體不受感染。根據Frost & Sullivan的觀察，微生物體(Microbiome)與相關技術將成為下一波生醫技術應用的焦點主題。

然而，目前微生物體產品在研發上仍面臨著諸多挑戰，包括：(1)臨床試驗挑戰：微生物相由於組成複雜且變因多，因此很難提供精準的劑量與比例進行治療。同時，挑選合適的患者群體做試驗，也需要仰賴精確的微生物相檢測技術。(2)生產製造挑戰：目前全球微生物發酵和成品劑量製造量能不足，嚴重影響技術的發展。(3)數據收集和分析挑戰：研究人員需要收集大量的體學(Omics)數據，並將其分類與分析，才能轉化成有臨床價值的資訊。(4)基礎知識與應用範疇挑戰：目前仍未完全了解宿主與微生物的相互作用，以及對外部環境的反應。因此微生物體技術在疾病預防、診斷和治療等方面仍有許多尚未投入的研究領域。

二、克服研發挑戰之關鍵技術

Frost & Sullivan認為數據分析工具、體學平台、合成生物學(Synthetic biology)以及先進培養技術等四項技術，為克服研發挑戰之關鍵。以下分別介紹這四項技術對微生物體產品研發之助益，同時列出數項具代表性之成果。(各項技術簡介請參閱圖一)

(一) 數據分析工具 – 分析龐大的微生物體數據以及預測微生物的反應
隨著基因定序技術的發展，以及定序成本的降低，微生物體資料量越趨龐大，也越來越難以人工方式做資訊判讀。此外，為了能全面了解疾病的發展，須將微生物體與病患基因、表觀基因體(epigenome)、臨床資料、組織病理影像等醫療資訊交叉分析，以找出關鍵指標。前述各項數據的處理、分析與解讀，相當仰賴數據分析工具的協助，包括大數據分析工具與人工智慧工具。

大數據分析工具能整合數據、可視化數據、管理詮釋資料(metadata)，以及進行高通量(high throughput)計算，節省分析所需的時間。同時，與雲端服務的結合，則可實現數據共享，促進資訊交流。另一方面，人工智慧工具能從數據中預測微生物的反應與表現，並且找出重要的生物標誌，進而達到早期診斷。此外，人工智慧還能應用於個人化醫療，例如利用病患本身的腸道微生物相資料擬定控制血糖的飲食計畫。數據分析工具之代表性的成果有：

(1) 可精準分析出樣品菌種組成的基因分析工具
瑞士REM Analytics開發一項名為基因組成先進測試(ATGC)分析平台。該平台結合毛細管電泳(capillary electrophoresis, CE)與資料分析技術，能在複雜的樣品中精準地定量不同物種的DNA，進而分析出樣品的菌種組成與比例。預期該平台能應用於個人化益生菌療程的開發與食品安全檢測。

(2) 雲端數據分析平台
英國Eagle Genomics開發商業化的雲端數據分析平台e[datascientist]。該平台能管理不同來源的微生物體學數據與詮釋資料(metadata)，並且能引導使用者進行數據分析，協助產品開發或找出新的生物標誌物。

(二) 體學平台 – 解碼微生物與宿主間的交互作用
先進的體學平台，例如基因體學(genomics)、蛋白質體學(proteomics)、總體基因體學(metagenomics, 研究微生物聚落中所有物種之基因體)、總體蛋白質體學(metaproteomic, 研究微生物聚落中所有物種之蛋白質體)等體學平台，可以協助研究員了解微生物對外部刺激的反應，以及與宿主間的交互作用，並且有助於創新應用開發。舉例來說，基因體學與總體基因體學平台能了解不同種微生物間的基因差異，建立微生物之間的親緣關係網絡，且能將完成定序菌種的基因體資料，作為未知菌種的基因體模板，加速菌種鑑定；或者可以從基因體的資料中探勘出具應用價值的基因(如合成抗生素的基因)，開發創新藥物與療法。另外，蛋白質體學與總體蛋白質體學平台能分析腸道微生物分泌的蛋白質，以了解菌落整體功能；而代謝體學(metabolomics)能分析微生物的代謝途徑，並研究微生物的代謝如何影響宿主的生理反應。以下列舉兩家體學平台之代表性廠商： 

(1) 能快速且精準定序的基因體分析平台
美國Pacific Biosciences公司開發了獨特HiFi定序技術、定序讀取平台Sequel II。該系統能定序長片段(數千個序列)的DNA，並具高正確率(>99.9%)，能快速且精準地完成微生物體基因定序。同時，Pacific Biosciences亦開發了數據分析軟體(PacBio SMRT Analysis)，可協助基因體的分析與研究。

(2) 單細胞蛋白質體解決方案
美國IsoPlexis開發先進的單細胞蛋白質體解決方案，包括微流道晶片-IsoCode晶片、自動化光學檢測系統-IsoLight以及分析軟體-IsoSpeak。該解決方案套件可以一次捕捉上千顆細胞，並可對每顆細胞檢測15種以上的蛋白質，同時觀察蛋白質間的交互作用。

(三) 合成生物學 – 改造微生物以治療/監測疾病
合成生物學在微生物領域有著多元的應用，例如：合成生物學能利用基因編輯技術(如CRISPR/Cas)編輯微生物的基因迴路(genetic circuit)，使腸道微生物能於體內或體外製造特定的治療藥物(如酵素、抗體等)，或者生成特定的代謝產物(如短鏈脂肪酸等)，以改善患者健康；同時，微生物也能被改造成生物感測器，當偵測到宿主生理發生變化，如腸道pH值、代謝效率改變，會發出特定的訊號(如螢光)，可改善慢性病的追蹤與診斷模式；另外，改造後的微生物亦能作為藥物傳遞的媒介，如利用乳酸菌運送藥物至腸道，減少藥物於消化過程中被分解的機會，以增進療效。目前代表性成果簡述如下： 

(1) 治療新陳代謝疾病的基因編輯益生菌
美國Synlogic利用基因編輯技術改造益生菌，以治療新陳代謝疾病(如苯酮尿症)與腸道發炎等疾病。苯酮尿症患者無法正常將人體的必需胺基酸－苯丙胺酸(phenylalanine)代謝，進而在體內大量堆積產生毒素。Synlogic改造的益生菌，能夠代謝食物中的苯丙胺酸，減少苯丙胺酸被人體吸收並且累積。

(2) 高效率細胞編輯平台
美國Ginkgo Bioworks由麻省理工科學家創立。該公司以基因編輯技術為核心，並透過自動化與數據分析軟體，開發出高效率的細胞編輯平台。同時，Ginkgo亦建立了自動化生產工廠，能進行菌株自動化培養與篩選，並且生產具有工業應用價值的細菌，如有著高固氮(Nitrogen fixation)效率的固氮菌。

(四) 先進培養技術 – 培育以及大量生產微生物體產品
在受控制的環境中培養微生物為微生物相研究的關鍵。然而，在目前已知的腸道菌中，僅有將近50%的菌種能於實驗室培養，且許多微生物之生長環境(例如腸胃道)迄今仍難以複製。因此，能夠培養目前尚無法成功培養的菌種，或者可模擬腸胃道環境(如模擬蠕動、消化液分泌等)的先進培養技術，可望能促進微生物相研究的進展。

另外，自動化培養技術可即時監控培養流程，並適時調整生長環境與排出代謝廢物，能實現多菌種同時培養與篩選，協助研究員更全面地研究整個微生物聚落，亦是微生物體產品商品化之關鍵。例如，利用微流道與螢光標記技術，可以於培養途中即時觀察微生物的養分利用與代謝情況，有助於了解微生物相的生長需求，並可即時調整培養條件，提高產量。具代表性之創新培養技術如下： 

(1) 能克服生長環境限制的微生物培養晶片
iChip為美國NovoBiotic Pharmaceuticals所開發之創新培養技術。許多微生物難以培養之主要原因在於無法得知適合生長之條件，如必需營養物等。iChip的創新在於可讓微生物於其原本生長的環境中培養。該晶片具備特殊設計能允許環境中的物質以擴散方式進入，以提供晶片內微生物生長所需的養分。目前該團隊已成功培養出超過上千種新型微生物，並且發現了多種候選藥物，如新型抗生素Teixobactin。

(2) 可模擬腸胃道環境的腸道菌培養系統
另一項創新技術為加拿大貴湖大學(University of Guelph)團隊開發的Robogut系統，可以模擬人體腸道消化食物的過程，並生成類似糞便的產物。該系統利用電腦控制環境溫度、氮氣注入等參數，並可根據實驗需求調整，使研究員得以於受控的環境下觀察腸道菌的反應。Robogut系統已成功培養含有超過30種微生物的產品原型RePOOPulate，並且成功治癒患有嚴重困難梭菌(Clostridioides difficile)感染的患者。

三、結語
先進的體學技術以及人工智慧與數據分析技術能解碼微生物與宿主間的交互作用關係，合成生物學能改造微生物以治療疾病，先進的培養技術則能大量培育並且生產微生物體產品。前述各項技術能對微生物體產品開發帶來顯著突破。然而，目前不同研究單位之間的實驗手法尚未標準化，分析數據方式相異，資料也無法共通，導致研究結果難以重複，且臨床成效不彰。未來期望可藉由國際合作共同擬定出臨床實驗、分析、管理等各式標準，以大幅度加速微生物體研究之交流，並促進產業發展。