美国研究微生态

曹东义

美国启动新的国家微生物组计划NMI
编者按：
微生物在地球上无处不在，有人估计他们的种类可达1万亿种，但我们对它们知之甚少。尽管此前微生物研究领域已有数个大科学项目，深入探究微生物，但5月13日，美国再次启动一项新的微生物计划——国家微生物组计划，拟通过该计划促进不同环境的微生物组研究。
撰文 | 田埂（元码基因CEO、首席科学家）
责编 | 叶水送
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2016年5月13日，美国白宫科学和技术政策办公室（OSTP）与联邦机构、私营基金管理机构一同宣布启动新的国家微生物组计划（National Microbiome Initiative，简称NMI），以促进不同环境的微生物组研究。
- g" D, _. W4 D1 l. n* }根据白宫公布的信息显示，新研究计划关注的方向主要包括如下几个方面：支持跨学科研究，解决不同生态系统微生物的基本问题；开发平台技术，对不同生态系统中微生物组的认识以及知识的积累，并提高微生物数据的访问；通过公民科学、公众参与，扩大微生物的影响力。
' a/ T/ {- ^3 P3 w此次微生物研究计划阵容强大：美国能源部、航空航天局、国立卫生研究院、美国国家科学基金会、农业部都公布了相应的研究方向。这些部门将一起展开环境微生物的研究，构成NMI的研究系统。美国政府以往每年会投入3亿美元花在微生物研究上，NMI计划将会令这一领域的经费增长1.21亿美元。作为对白宫这一举措的回应，投资者以及科研机构会跟进4亿美元的资助。
NMI计划将给我们会带来什么？这是一个很难回答的问题，如果将与人类相关的所有环境微生物和人体微生物都弄清楚，那么这将是人类认识生命历史上重要的事件之一。同时研究工具以及手段的进步，将会提高微生物研究的效率。微生物本身是一个巨大的知识库，它将会在很大程度上改变我们对微生物、环境以及我们自身的态度。例如我们通过生活方式的改变，来增加微生物对人体健康带来的影响。
事实上，除了NMI计划外，目前美国和欧盟已启动的大型人类微生物研究计划还包括人类微生物组计划（HMP）和MetaHIT。HMP计划是由美国国立卫生研究院启动，旨在收集跟人体相关的所有微生物，探讨微生物群落的丰度对人体的影响，从而帮助我们了解其在人类健康和疾病中的作用。MetaHIT计划是由欧盟第七框架计划(FP7)资助的子项目之一，致力于建立人肠道微生物基因与人体健康和疾病的关系。
+ P- l( F3 D, U( A$ X. I" [2011年，“地球微生物计划”（Earth Microbiome Project）启动，该计划旨在通过对全球典型的环境样本进行宏基因组测序，包括土壤、海洋、空气、淡水等生态系统，从而全方位地分析微生物群落的多样性及其功能。在海洋微生物研究方面，科学狂人克雷格·文特尔（Craig Venter）可以说一直走在时代的前沿，其创立的克雷格·文特尔研究所（J. Craig Venter Institute）早在2004年就发表了关于马尾藻的基因组研究。目前，他的研究组已在全球收集了数千份海洋资源的样本。
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不可思议的微生物
3 ?  y' u- N4 l. W$ D0 }微生物一词来自英文Microorganism，指生活在显微尺寸下的生物，可以是单细胞或多细胞生物，包括：细菌、真菌、病毒以及一些小型的原生动物等等。从1674年列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek) 发明显微镜开始，微生物逐渐被人们科学地认识，曾经有报道指出地球上存在1万亿种微生物，但其中只有非常小的比例被人描述过。
从对流层顶部的大气层到海洋深处，从冰山之巅到生命禁区的沙漠之深，从近百摄氏度的海底火山口到高盐的盐湖，都有微生物的身影。在我们的身体上，微生物从皮肤到我们的肠道，凡是跟外界接触的地方都有它们的存在。微生物比人类更早的出现在地球上，它们无孔不入、无处不在。目前，美国航空航天局（NASA）的科学家在追寻宇宙微生物的存在。
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不同的微生物种群，图片来自NIH
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微生物对人类的重要意义
; t* @) J) ]/ ], h微生物组（Microbiome）是指一个特定环境中的微生物群，它们生活在一定环境空间，相互影响并彼此平衡，从而形成了相对稳定的生态环境。微生物不仅能保持生态系统的健康功能，并且影响人类健康、气候变化、粮食安全等。部分功能性微生物还与人类的慢性疾病相关，如肥胖、糖尿病、哮喘等。它们在农业生产力、生物燃料的生产以及食品加工等领域也发挥重要作用。
% G. o3 j9 O' p+ q) p7 f3 y事实上，人类对微生物最早的认识，可能是食用发酵变质后的食物引起中毒时的痛苦记忆。后来人类就开始学会使用酵母菌来发酵生产易于消化的食物，如面包、醋和酒类等。自200年前发酵工业兴起之时，人们开始大规模使用工业微生物，其中著名的是酵母菌以及生产各种抗生素使用的工业菌。利用微生物生产阿片类药物以及紫杉醇、青蒿素等药物，也已不再新鲜。有科学家在研究通过微生物来生产人类需要的所有食物、药品、消耗品等生活所需。目前，基于工业微生物的发酵工业产值已经超过4000亿元，而且人类对工业微生物的需求还在扩大。
在人类曲折的历史上，微生物也引发了造成大量死亡的流行性疾病，如黑死病、流感、疟疾等。虽然很多微生物是人类的致病原，但我们也应看到，它们也可产生像青霉素这样的抗生素。随着科技的发展以及知识的更新，人们逐步利用微生物来生产疫苗、抗生素等，帮助人们战胜传染病。
肠道微生物是近些年的研究热点，它们寄生在人类肠道中，数量是我们自身细胞的数倍。虽然人类很久以前就已了解到肠道微生物跟人类的关系密切，但直至近些年来，研究者才揭示肠道微生物在人类健康和疾病中起到重要作用。通过与我们的大脑的关联，肠道菌群既可控制人类的情绪，还影响我们对食物的喜好。在人体免疫系统方面，研究者发现它们在免疫发展的过程中起到重要作用。微生物还与人体呼吸性疾病、衰老以及癌症关系密切。在药物使用方面，研究者也在关注肠道微生物与抗生素、免疫治疗的关系。实际上，研究者已把肠道微生物作为用药的对象来对待，肠道菌群俨然已是一个不可忽视的器官。
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研究虽迅速，但了解仍非常有限
显微镜的出现，让人们可以观察微生物的形态。随着各种微生物培养技术的成熟，人们可以对微生物持续的观察，并根据形态等特征进行分类。DNA测序和分子遗传学的发展，使得16sRNA基因测序成为微生物分类的主要研究方法。而高通量测序技术（Next Generation Sequencing，NGS）的出现则让大量鉴定微生物成为可能。最近5年，微生物组的研究经常是顶级学术杂志的常客，甚至每一期的杂志都有微生物群落的论文发表。
但对于地球上究竟有多少种微生物这一基本问题，至今依然没有人能给出具体的答案。不仅因为微生物的数量庞大，种类繁多，另一方面，也是因为研究手段的缺乏，例如仅仅1克湿的土壤中就可能含有1010～1011个微生物个体，种类也可能超过1.6万种。如果我们想理顺它们的功能以及相互间的关系，那么这一问题则更为复杂，期待NMI计划能够让我们窥探微生物更多的秘密。
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