中美德科學家共同呼吁啟動“國際微生物組計劃”

　　 當前的微生物學研究如同‘盲人摸象’，由于各國的研究方法和標準不統一，使得數據難以比較及整合，這種‘碎片化’現狀造成資源的極大浪費。

　　具有獨特生理代謝優勢的微生物，在解決地球各類危機中所起到的作用已完全超乎我們的想象——從污水處理到氣候變暖，人類如今所面臨的能源短缺、環境污染、糧食安全、疾病流行等幾乎所有問題的背后，都少不了微生物的參與。

　　如何通過微生物組研究化解危機？日前，中、美、德三國科學家在《自然》雜志上發文呼吁，要想搞清楚微生物如何影響人和地球的健康，需要全球科學界集結一支多學科背景的國際研究隊伍，啟動“國際微生物組計劃（IMI）”。

　　這三位科學家分別是德國馬普海洋研究所教授尼克爾·杜比利艾、美國夏威夷大學教授瑪格麗特·麥克福爾·蓋恩和中國上海交通大學教授趙立平。

　　趙立平日前在接受《中國科學報》記者采訪時指出，當前的微生物學研究如同“盲人摸象”，由于各國的研究方法和標準不統一，使得數據難以比較及整合，這種“碎片化”現狀造成資源的極大浪費。只有將全球數據整合在一起，才能真正解開地球微生物群落的更多秘密。

　　“碎片化”亟待破題

　　微生物組是微生物群落里所有基因組信息的總和，它決定著一個群落能夠執行怎樣的功能。深入研究和解析微生物組的信息總量、分布特征和表達規律，是解決當前能源、農業、醫療等領域中諸多難題的關鍵，具有不可估量的經濟和社會效益。

　　正是意識到這一點，去年10月28日，美國48位科學家在《科學》雜志上聯合發文提出 “聯合微生物組計劃（UMI）”，開展對人體、植物、動物、土壤和海洋等幾乎所有微生物組的研究，并希望美國能將其與“精準醫療”和“腦科學”兩大科學計劃予以同樣重視。

　　然而，在上述三位科學家看來，這仍只是一個美國項目，地球生物群落并沒有國界線，揭示它的秘密需要全世界的努力。微生物組研究的成功需要全球生物學家、化學家、地質學家、數學家、物理學家、計算機專家以及臨床專家的合作。

　　去年10月29日，他們就在《自然》雜志上發文，建議在UMI的基礎上啟動IMI，召集所有相關學科的專家一起工作，使不同國家和研究領域能夠共享標準，從而實現資源的整合。

　　實際上，自2005年巴黎“人類微生物組圓桌會議”之后，國際科學界就開展了至少8項人體微生物組研究計劃，這些計劃生成了大量數據，但卻難以比較和整合。比如用不同的軟件包分析同一個生物樣品的測序數據，對該樣品含有的微生物物種數量的估計可能差2~3個數量級。

　　不同學科之間的“碎片化”以及研究之間缺乏協調合作，已經成為微生物組研究的兩大絆腳石。

　　“當科學研究面對一個復雜問題的時候，就相當于盲人摸象。有很多人在摸，但摸的卻是不同的象，而且摸不同部位的人不能有效地互相交流。由于每個人看到的都是局部，每個學科都有自己的專業術語，當大家在一起討論時就如雞同鴨講。”趙立平打趣地說，“只有讓所有的盲人都去摸同一頭象，而且互相交流，才能揭示出完整的真相。”

　　在趙立平看來，有很多問題一定要把不同地區、不同環境的數據綜合到一起，才能夠揭示出規律。以全球變暖為例，微生物的生命活動釋放的溫室氣體的量不亞于人類生產和生活的釋放量，也就是說，控制工業碳排放并不能解決根本問題，而只有把全球的數據整合在一起才能夠真正揭示問題和規律。

　　整合需解決兩大任務

　　“數據是一種最寶貴的資源，要讓這些資源發揮它的效益，就必須解決能不能整合和愿意不愿意整合的問題。”趙立平告訴記者，IMI的第一個任務就是解決數據整合的技術問題，要為整個微生物組研究找到各個領域、各個學科通用、有效的方法。

　　這聽上去很難，但實際上目前的技術水平已足以具備支撐這一龐大計劃的基礎，完成首個任務所需要具備的技術就是DNA測序、代謝組學、大數據。

　　趙立平表示，通過測序可以判斷出一種微生物的具體功能和遺傳潛力，目前，新一代高通量測序技術已發展得較為成熟，現在的任務就是要繼續增加通量、降低成本，改進測序方法使其縮短時間，更加方便。

　　而要想搞清楚一種微生物在特定環境下究竟能干什么，就需要代謝組學發揮作用。“基于核磁共振的代謝組學技術可以把一個樣品里濃度超過一定量的化合物檢測到一組特定的信號，這個信號經過統計分析處理后，就可以轉變為化合物結構和濃度的信息。”趙立平表示，現在能對成千上萬的樣本用同樣的標準進行分析的核磁共振代謝組學技術也已基本過關。

　　之后便需要大數據技術出馬。目前，從整個數據的存儲、質量控制到挖掘、模式識別等都涌現出大量的方法，“現有的方法在一定程度上可以讓我們找出一些規律性的東西了。”趙立平說。

　　不僅如此，IMI還將為微生物組研究找到新的跨學科的研究方法。例如，能夠分辨亞細胞結構和揭示微生物細胞功能的共聚焦、低溫X線斷層攝影術等成像技術，監測微生物代謝物的產生和交換的方法。

　　中國科學院微生物研究所研究員金城對《中國科學報》記者表示，IMI的實施已經不存在技術障礙，目前最需要找到如何將各個系統、各個領域研究整合起來的新思路。江南大學生物工程學院教授高曉東則表示，如果真的要整合，知識產權將會是最大障礙。

　　而這就牽扯到IMI需要解決的第二個任務：愿不愿意整合，即利益分配的問題。趙立平表示，產權保護一直對各種計劃和項目的數據共享問題產生困擾，IMI可以對解析研究數據、發表論文和申請ZL非常重要的元數據加以整理，并控制對這些元數據的訪問權，以此解決數據共享和知識產權保護糾紛。

　　趙立平稱，IMI還在探討更多的方式，比如大數據分析單位和提供數據的單位或者個人簽署協議，要求將來如果通過整合數據獲得ZL并產生收益，提供數據者也將獲得一定回報。

　　三位科學家強調指出，現在必須盡快啟動IMI，讓相關領域的研究群體都愿意重新開始并遵守新的規則，這樣才能避免在不同國家開展各自的微生物組研究計劃以后，為了協調合作和數據共享，再去做各種糾正和補救。

　　最終受益于民

　　現如今，億萬噸人工制造的有毒化學物質進入環境，已經壓倒了地球微生物降解和循環利用這些物質的能力；抗生素的濫用促進了慢性疾病，包括肥胖、糖尿病和癌癥的世界性大流行……

　　在三位科學家看來，微生物組研究不單能給醫學、能源、環境、食品、農業等領域帶來革命性的、應用性的技術變化，還能夠促進產業升級換代。通過開展IMI，人類可獲得的成果將會不可勝數。

　　趙立平團隊就曾首次發現遺傳性肥胖的發病機理——即便是遺傳性的兒童肥胖癥，治療靶點也并非在人自身的基因，而在腸道菌群。這一發現讓人們重新認識到：基因缺陷造成的疾病可以通過后天腸道菌群的改善來治療。

　　“很多微生物其實是最早啟動了我們現在常見的很多慢性病的過程，所以，找到它就找到了控制該病的一個靶點。”趙立平說，“這樣就可以通過藥物、營養和菌群移植手術等各種方法將這個細菌量降到最低，從而將引起疾病的風險降到最低。”

　　“IMI對解決各個領域的危機的作用如何目前來說還很難預測，但這也正如腸道微生物，一開始并不知道它會起多大作用，但真正做完才發現其作用巨大，甚至可以影響人的心理健康等。”在金城看來，目前仍有許多非常基礎的科學問題需要全球科學界去通力解決。