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生物“登月计划”启航!华大参与发起的"地球生物基因组计划"正式对外发布

2018/04/24 来源:生物探索
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导读
4月24日, 《美国科学院院刊》(PNAS)正式发布“地球生物基因组计划”(Earth BioGenome Project, 以下简称“EBP”)的科研展望文章。EBP项目的提出,有助于整合世界各地的生物基因组研究,使之形成更有价值的科研体系,促进物种研究工作有序而高效地进行,帮助我们全面了解地球生命演化的奥秘,极大地推动物种保护工作的开展。


EBP项目是继人类基因组计划之后,生命科学领域又一件大事,目标是破译地球上所有真核生物的基因组。这一具有里程碑式意义的项目吸引了全球科学家的关注。其协作组成员由多国科学家组成,华大联合创始人、华大基因理事长杨焕明,华大首席执行官、华大生命科学研究院院长徐讯,深圳国家基因库副主任张国捷均参与其中。作为该项目的发起单位之一,华大始终关注生物多样性研究,通过基因科技已解码众多地球物种,发起国际合作深入科学研究。该协作组中其他工作人员与机构也均与华大有过深入合作。

以Harris Lewin、Gene Robinson、John Kress为代表的EBP协作组成员表示,这是第一个真正的全球范围的基因组测序项目,能让世界上数千名科学家和数百万民众参与,所产出的数据超过1EB(相当于1亿部高清电影,播放2.3万年),将推动全新计算算法、分析方法和模型的创立,革新我们对生物学的理解,有望极大改善物种保护工作,并为农业、医药和生态系统服务提供新的基因资源。

EBP项目的重要性与紧迫性

文章指出,地球上生存着1000万至1500万种真核生物以及数万亿种原核生物,但实际上已经被人类认识的只有约230万种,完成基因组测序不到15000种,而且其中大部分是微生物,相对复杂的高等动植物只有约1千个物种的基因组被破译。人类通过对这极小一部分地球生命的认知,已在农业、医药、生物产业以及濒危物种保护方面取得了巨大的进步。

因此,科学家大胆提出EBP项目,计划在未来10年对所有已知真核物种的基因组进行破译,并利用基因组学技术来帮助发现目前科学界未知的剩余80%至90%的物种。2015年,在华盛顿的美国国立博物馆举行的会议上,包括华大基因理事长杨焕明、深圳国家基因库副主任张国捷等与会的23名科学家首次提出了要在十年内完成地球上已知的所有真核生物的基因组测序的计划,随后的几次会议最终明确此计划的主要参与机构,包括美国Smithsonian Institution、英国Wellcome Sanger研究所、中国华大以及巴西的圣保罗研究基金会(FAPESP)等。

由于此项目的意义之重大,自提出之初便成为了生命科学研究领域的热点话题之一。根据项目计划,科学家将对所有真核生物的基因组内容进行全面编目,并免费公开共享数据,作为未来科学发现的永久基础,将推动人类在理解、利用和保护生物多样性方面迈上新的起点。

不管在哪里,我们都能看到周围丰富多彩的生物世界,不同的物种与人类一起组成了大自然生态系统。地球的每个角落也都能找到生物的存在。但是,我们知道,生物多样性在很大程度上受到气候变化、栖息地破坏及人类活动等的威胁,而且威胁日益严重。

在1970-2012年的42年期间,脊椎动物种群数量下降58%。按照这种趋势发展下去的话,到了2050年,50%的现存物种可能会从地球上消失。2018年3月20日(北京时间),地球上最后一头雄性北白犀牛去世,这个存在了5000万年的物种正式灭绝,引起全球人民的悼念,更警醒人类保护物种多样性的任务迫在眉睫。科学家警示,全球范围的生态崩溃有可能会发生,地球已经处于第6次物种大灭绝之中。

因此,陆地、海洋、淡水、沙漠和农业生态系统的保护和保存已成为全球人类生存和繁荣的当务之急。要了解整个地球的生物信息,就需要组成全球共同协作的工作计划,以完整地覆盖地球上的所有物种。EBP项目关注真核生物的生物多样性,试图在基因组水平解码物种的遗传特征,最终目标是使人们能更彻底地理解地球生命的起源、相互之间的关系和演化规律,使保存、保护和重新恢复生态系统的生物多样性成为可能,并使地球生态系统能最大化地回馈人类社会。

EBP项目面临的挑战与国际合作

文章指出,由于EBP项目涉及范围之大,将面临许多挑战,如需要全球协作,这不是一个国家能主导和完成的计划;需要基于新的样品存储标准,对全球物种资源做更精细和深入的调查和收集;庞大的数据量和运算量将极大地挑战IT存储和运算技术;需要更多的专业人力投入到整个计划的各个阶段,从样品收集到数据分析,需要培养大量的新一代专业人才等等。

其中一个主要的挑战就是样本采集,EBP项目需要制定收集凭证样本的全球战略,并使这些凭证样本能被充分保存,以便生产高质量的基因组序列。地球生物多样性的分布特性以及世界偏远地区存在的生物多样性热点,如亚马逊盆地或婆罗洲,将使许多生物体的收集成为一个明显的挑战。

因此,为了使EBP项目取得成功,与当今致力于保护世界生物多样性的机构——如自然历史博物馆、植物园、动物园和水族馆等国际机构的合作显得至关重要。目前,EBP项目拥有GGBN(Global Genome Biodiversity Network)作为承诺的合作伙伴,这是全球主要的生物组织和DNA凭证样本的资源网络。不仅如此,位于中国的深圳国家基因库也将会在物种资源和基因组数据信息保存上发挥重要的作用。此外,此项目也呼吁在巴西、哥伦比亚、秘鲁、马达加斯加、马来西亚和印度尼西亚等世界生物多样性重要分支国家的更多科学家参与进来。EBP项目的目标之一就是通过建立发展中国家科学能力的新型伙伴关系来实现其活动的全球化。

虽然面临着诸多挑战,但科学家对于EBP项目充满信心。研究者们完成该项目的信心来源之一,是不断下降的测序成本与不断进步的测序技术。人类基因组计划之后,个人全基因组测序成本不断降低,由最初的30亿美元下降到现在的600美元,甚至可能更低。作为全球领先的基因组学研发中心,华大已于2015-2017年相继推出了多款自主研发的测序系统,目前已具备量产测序仪的实力,也将运用这一优势,助力EBP项目的实施。

该项目总计划经费需要47亿美元,按照现在的经济购买力计算,比当年人类基因组计划的花费还要低。人类基因组计划的投入,已经将整个行业已经建立起来,产生了近1万亿美元的经济效益。基因组学领域所产生的技术对人类医学、兽医学、可再生能源发展、粮食和农业、环境保护、工业生物技术、司法系统和国家安全等都有着深远的影响。

无疑,EBP项目是目前生物学史上最雄心勃勃的项目,将彻底改变人类对地球上生命的科学认识,并提供新的视角、认知及资源,让人们更好地应对主要由于人类活动和气候变化造成的生物多样性和栖息地变化的威胁。地球生物多样性的基础知识还可能带来新的食物来源,革命性的生物启发性材料以及治疗人类、动物和植物疾病等领域的创新成果。

参考资料

Earth BioGenome Project: Sequencing life for the future of life

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