美國(guó)啟動(dòng)新的國(guó)家微生物組計(jì)劃NMI

　　編者按：

　　微生物在地球上無(wú)處不在，有人估計(jì)他們的種類可達(dá)1萬(wàn)億種，但我們對(duì)它們知之甚少。盡管此前微生物研究領(lǐng)域已有數(shù)個(gè)大科學(xué)項(xiàng)目，深入探究微生物，但5月13日，美國(guó)再次啟動(dòng)一項(xiàng)新的微生物計(jì)劃——國(guó)家微生物組計(jì)劃，擬通過該計(jì)劃促進(jìn)不同環(huán)境的微生物組研究。

　　撰文 | 田埂(元碼基因CEO、首席科學(xué)家)

　　責(zé)編 | 葉水送

　　2016年5月13日，美國(guó)白宮科學(xué)和技術(shù)政策辦公室(OSTP)與聯(lián)邦機(jī)構(gòu)、私營(yíng)基金管理機(jī)構(gòu)一同宣布啟動(dòng)新的國(guó)家微生物組計(jì)劃(National Microbiome Initiative，簡(jiǎn)稱NMI)，以促進(jìn)不同環(huán)境的微生物組研究。

　　根據(jù)白宮公布的信息顯示，新研究計(jì)劃關(guān)注的方向主要包括如下幾個(gè)方面：支持跨學(xué)科研究，解決不同生態(tài)系統(tǒng)微生物的基本問題;開發(fā)平臺(tái)技術(shù)，對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物組的認(rèn)識(shí)以及知識(shí)的積累，并提高微生物數(shù)據(jù)的訪問;通過公民科學(xué)、公眾參與，擴(kuò)大微生物的影響力。

　　此次微生物研究計(jì)劃陣容強(qiáng)大：美國(guó)能源部、航空航天局、國(guó)立衛(wèi)生研究院、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、農(nóng)業(yè)部都公布了相應(yīng)的研究方向。這些部門將一起展開環(huán)境微生物的研究，構(gòu)成NMI的研究系統(tǒng)。美國(guó)政府以往每年會(huì)投入3億美元花在微生物研究上，NMI計(jì)劃將會(huì)令這一領(lǐng)域的經(jīng)費(fèi)增長(zhǎng)1.21億美元。作為對(duì)白宮這一舉措的回應(yīng)，投資者以及科研機(jī)構(gòu)會(huì)跟進(jìn)4億美元的資助。

　　NMI計(jì)劃將給我們會(huì)帶來(lái)什么?這是一個(gè)很難回答的問題，如果將與人類相關(guān)的所有環(huán)境微生物和人體微生物都弄清楚，那么這將是人類認(rèn)識(shí)生命歷史上重要的事件之一。同時(shí)研究工具以及手段的進(jìn)步，將會(huì)提高微生物研究的效率。微生物本身是一個(gè)巨大的知識(shí)庫(kù)，它將會(huì)在很大程度上改變我們對(duì)微生物、環(huán)境以及我們自身的態(tài)度。例如我們通過生活方式的改變，來(lái)增加微生物對(duì)人體健康帶來(lái)的影響。

　　事實(shí)上，除了NMI計(jì)劃外，目前美國(guó)和歐盟已啟動(dòng)的大型人類微生物研究計(jì)劃還包括人類微生物組計(jì)劃(HMP)和MetaHIT。HMP計(jì)劃是由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院?jiǎn)?dòng)，旨在收集跟人體相關(guān)的所有微生物，探討微生物群落的豐度對(duì)人體的影響，從而幫助我們了解其在人類健康和疾病中的作用。MetaHIT計(jì)劃是由歐盟第七框架計(jì)劃(FP7)資助的子項(xiàng)目之一，致力于建立人腸道微生物基因與人體健康和疾病的關(guān)系。

　　2011年，“地球微生物計(jì)劃”(Earth Microbiome Project)啟動(dòng)，該計(jì)劃旨在通過對(duì)全球典型的環(huán)境樣本進(jìn)行宏基因組測(cè)序，包括土壤、海洋、空氣、淡水等生態(tài)系統(tǒng)，從而全方位地分析微生物群落的多樣性及其功能。在海洋微生物研究方面，科學(xué)狂人克雷格·文特爾(Craig Venter)可以說一直走在時(shí)代的前沿，其創(chuàng)立的克雷格·文特爾研究所(J. Craig Venter Institute)早在2004年就發(fā)表了關(guān)于馬尾藻的基因組研究。目前，他的研究組已在全球收集了數(shù)千份海洋資源的樣本。

　　不可思議的微生物

　　微生物一詞來(lái)自英文Microorganism，指生活在顯微尺寸下的生物，可以是單細(xì)胞或多細(xì)胞生物，包括：細(xì)菌、真菌、病毒以及一些小型的原生動(dòng)物等等。從1674年列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek) 發(fā)明顯微鏡開始，微生物逐漸被人們科學(xué)地認(rèn)識(shí)，曾經(jīng)有報(bào)道指出地球上存在1萬(wàn)億種微生物，但其中只有非常小的比例被人描述過。

　　從對(duì)流層頂部的大氣層到海洋深處，從冰山之巔到生命禁區(qū)的沙漠之深，從近百攝氏度的海底火山口到高鹽的鹽湖，都有微生物的身影。在我們的身體上，微生物從皮膚到我們的腸道，凡是跟外界接觸的地方都有它們的存在。微生物比人類更早的出現(xiàn)在地球上，它們無(wú)孔不入、無(wú)處不在。目前，美國(guó)航空航天局(NASA)的科學(xué)家在追尋宇宙微生物的存在。

不同的微生物種群，圖片來(lái)自NIH

　　微生物對(duì)人類的重要意義

　　微生物組(Microbiome)是指一個(gè)特定環(huán)境中的微生物群，它們生活在一定環(huán)境空間，相互影響并彼此平衡，從而形成了相對(duì)穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境。微生物不僅能保持生態(tài)系統(tǒng)的健康功能，并且影響人類健康、氣候變化、糧食安全等。部分功能性微生物還與人類的慢性疾病相關(guān)，如肥胖、糖尿病、哮喘等。它們?cè)谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、生物燃料的生產(chǎn)以及食品加工等領(lǐng)域也發(fā)揮重要作用。

　　事實(shí)上，人類對(duì)微生物最早的認(rèn)識(shí)，可能是食用發(fā)酵變質(zhì)后的食物引起中毒時(shí)的痛苦記憶。后來(lái)人類就開始學(xué)會(huì)使用酵母菌來(lái)發(fā)酵生產(chǎn)易于消化的食物，如面包、醋和酒類等。自200年前發(fā)酵工業(yè)興起之時(shí)，人們開始大規(guī)模使用工業(yè)微生物，其中著名的是酵母菌以及生產(chǎn)各種抗生素使用的工業(yè)菌。利用微生物生產(chǎn)阿片類藥物以及紫杉醇、青蒿素等藥物，也已不再新鮮。有科學(xué)家在研究通過微生物來(lái)生產(chǎn)人類需要的所有食物、藥品、消耗品等生活所需。目前，基于工業(yè)微生物的發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)值已經(jīng)超過4000億元，而且人類對(duì)工業(yè)微生物的需求還在擴(kuò)大。

　　在人類曲折的歷史上，微生物也引發(fā)了造成大量死亡的流行性疾病，如黑死病、流感、瘧疾等。雖然很多微生物是人類的致病原，但我們也應(yīng)看到，它們也可產(chǎn)生像青霉素這樣的抗生素。隨著科技的發(fā)展以及知識(shí)的更新，人們逐步利用微生物來(lái)生產(chǎn)疫苗、抗生素等，幫助人們戰(zhàn)勝傳染病。

　　腸道微生物是近些年的研究熱點(diǎn)，它們寄生在人類腸道中，數(shù)量是我們自身細(xì)胞的數(shù)倍。雖然人類很久以前就已了解到腸道微生物跟人類的關(guān)系密切，但直至近些年來(lái)，研究者才揭示腸道微生物在人類健康和疾病中起到重要作用。通過與我們的大腦的關(guān)聯(lián)，腸道菌群既可控制人類的情緒，還影響我們對(duì)食物的喜好。在人體免疫系統(tǒng)方面，研究者發(fā)現(xiàn)它們?cè)诿庖甙l(fā)展的過程中起到重要作用。微生物還與人體呼吸性疾病、衰老以及癌癥關(guān)系密切。在藥物使用方面，研究者也在關(guān)注腸道微生物與抗生素、免疫治療的關(guān)系。實(shí)際上，研究者已把腸道微生物作為用藥的對(duì)象來(lái)對(duì)待，腸道菌群儼然已是一個(gè)不可忽視的器官。

　　研究雖迅速，但了解仍非常有限

　　顯微鏡的出現(xiàn)，讓人們可以觀察微生物的形態(tài)。隨著各種微生物培養(yǎng)技術(shù)的成熟，人們可以對(duì)微生物持續(xù)的觀察，并根據(jù)形態(tài)等特征進(jìn)行分類。DNA測(cè)序和分子遺傳學(xué)的發(fā)展，使得16sRNA基因測(cè)序成為微生物分類的主要研究方法。而高通量測(cè)序技術(shù)(Next Generation Sequencing，NGS)的出現(xiàn)則讓大量鑒定微生物成為可能。最近5年，微生物組的研究經(jīng)常是頂級(jí)學(xué)術(shù)雜志的?？?，甚至每一期的雜志都有微生物群落的論文發(fā)表。

　　但對(duì)于地球上究竟有多少種微生物這一基本問題，至今依然沒有人能給出具體的答案。不僅因?yàn)槲⑸锏臄?shù)量龐大，種類繁多，另一方面，也是因?yàn)檠芯渴侄蔚娜狈Γ鐑H僅1克濕的土壤中就可能含有1010～1011個(gè)微生物個(gè)體，種類也可能超過1.6萬(wàn)種。如果我們想理順?biāo)鼈兊墓δ芤约跋嗷ラg的關(guān)系，那么這一問題則更為復(fù)雜，期待NMI計(jì)劃能夠讓我們窺探微生物更多的秘密。