中美德科学家共同呼吁启动“国际微生物组计划”
中国科学报 · 2016/02/18
如何通过微生物组研究化解危机?日前,中、美、德三国科学家在《自然》杂志上发文呼吁,要想搞清楚微生物如何影响人和地球的健康,需要全球科学界集结一支多学科背景的国际研究队伍,启动“国际微生物组计划(IMI)”。


当前的微生物学研究如同‘盲人摸象’,由于各国的研究方法和标准不统一,使得数据难以比较及整合,这种‘碎片化’现状造成资源的极大浪费。

具有独特生理代谢优势的微生物,在解决地球各类危机中所起到的作用已完全超乎我们的想象——从污水处理到气候变暖,人类如今所面临的能源短缺、环境污染、粮食安全、疾病流行等几乎所有问题的背后,都少不了微生物的参与。

如何通过微生物组研究化解危机?日前,中、美、德三国科学家在《自然》杂志上发文呼吁,要想搞清楚微生物如何影响人和地球的健康,需要全球科学界集结一支多学科背景的国际研究队伍,启动“国际微生物组计划(IMI)”。

这三位科学家分别是德国马普海洋研究所教授尼克尔·杜比利艾、美国夏威夷大学教授玛格丽特·麦克福尔·盖恩和中国上海交通大学教授赵立平。

赵立平日前在接受《中国科学报》记者采访时指出,当前的微生物学研究如同“盲人摸象”,由于各国的研究方法和标准不统一,使得数据难以比较及整合,这种“碎片化”现状造成资源的极大浪费。只有将全球数据整合在一起,才能真正解开地球微生物群落的更多秘密。

“碎片化”亟待破题

微生物组是微生物群落里所有基因组信息的总和,它决定着一个群落能够执行怎样的功能。深入研究和解析微生物组的信息总量、分布特征和表达规律,是解决当前能源、农业、医疗等领域中诸多难题的关键,具有不可估量的经济和社会效益。

正是意识到这一点,去年10月28日,美国48位科学家在《科学》杂志上联合发文提出 “联合微生物组计划(UMI)”,开展对人体、植物、动物、土壤和海洋等几乎所有微生物组的研究,并希望美国能将其与“精准医疗”和“脑科学”两大科学计划予以同样重视。

然而,在上述三位科学家看来,这仍只是一个美国项目,地球生物群落并没有国界线,揭示它的秘密需要全世界的努力。微生物组研究的成功需要全球生物学家、化学家、地质学家、数学家、物理学家、计算机专家以及临床专家的合作。

去年10月29日,他们就在《自然》杂志上发文,建议在UMI的基础上启动IMI,召集所有相关学科的专家一起工作,使不同国家和研究领域能够共享标准,从而实现资源的整合。

实际上,自2005年巴黎“人类微生物组圆桌会议”之后,国际科学界就开展了至少8项人体微生物组研究计划,这些计划生成了大量数据,但却难以比较和整合。比如用不同的软件包分析同一个生物样品的测序数据,对该样品含有的微生物物种数量的估计可能差2~3个数量级。

不同学科之间的“碎片化”以及研究之间缺乏协调合作,已经成为微生物组研究的两大绊脚石。

“当科学研究面对一个复杂问题的时候,就相当于盲人摸象。有很多人在摸,但摸的却是不同的象,而且摸不同部位的人不能有效地互相交流。由于每个人看到的都是局部,每个学科都有自己的专业术语,当大家在一起讨论时就如鸡同鸭讲。”赵立平打趣地说,“只有让所有的盲人都去摸同一头象,而且互相交流,才能揭示出完整的真相。”

在赵立平看来,有很多问题一定要把不同地区、不同环境的数据综合到一起,才能够揭示出规律。以全球变暖为例,微生物的生命活动释放的温室气体的量不亚于人类生产和生活的释放量,也就是说,控制工业碳排放并不能解决根本问题,而只有把全球的数据整合在一起才能够真正揭示问题和规律。

整合需解决两大任务

“数据是一种最宝贵的资源,要让这些资源发挥它的效益,就必须解决能不能整合和愿意不愿意整合的问题。”赵立平告诉记者,IMI的第一个任务就是解决数据整合的技术问题,要为整个微生物组研究找到各个领域、各个学科通用、有效的方法。

这听上去很难,但实际上目前的技术水平已足以具备支撑这一庞大计划的基础,完成首个任务所需要具备的技术就是DNA测序、代谢组学、大数据。

赵立平表示,通过测序可以判断出一种微生物的具体功能和遗传潜力,目前,新一代高通量测序技术已发展得较为成熟,现在的任务就是要继续增加通量、降低成本,改进测序方法使其缩短时间,更加方便。

而要想搞清楚一种微生物在特定环境下究竟能干什么,就需要代谢组学发挥作用。“基于核磁共振的代谢组学技术可以把一个样品里浓度超过一定量的化合物检测到一组特定的信号,这个信号经过统计分析处理后,就可以转变为化合物结构和浓度的信息。”赵立平表示,现在能对成千上万的样本用同样的标准进行分析的核磁共振代谢组学技术也已基本过关。

之后便需要大数据技术出马。目前,从整个数据的存储、质量控制到挖掘、模式识别等都涌现出大量的方法,“现有的方法在一定程度上可以让我们找出一些规律性的东西了。”赵立平说。

不仅如此,IMI还将为微生物组研究找到新的跨学科的研究方法。例如,能够分辨亚细胞结构和揭示微生物细胞功能的共聚焦、低温X线断层摄影术等成像技术,监测微生物代谢物的产生和交换的方法。

中国科学院微生物研究所研究员金城对《中国科学报》记者表示,IMI的实施已经不存在技术障碍,目前最需要找到如何将各个系统、各个领域研究整合起来的新思路。江南大学生物工程学院教授高晓东则表示,如果真的要整合,知识产权将会是最大障碍。

而这就牵扯到IMI需要解决的第二个任务:愿不愿意整合,即利益分配的问题。赵立平表示,产权保护一直对各种计划和项目的数据共享问题产生困扰,IMI可以对解析研究数据、发表论文和申请专利非常重要的元数据加以整理,并控制对这些元数据的访问权,以此解决数据共享和知识产权保护纠纷。

赵立平称,IMI还在探讨更多的方式,比如大数据分析单位和提供数据的单位或者个人签署协议,要求将来如果通过整合数据获得专利并产生收益,提供数据者也将获得一定回报。

三位科学家强调指出,现在必须尽快启动IMI,让相关领域的研究群体都愿意重新开始并遵守新的规则,这样才能避免在不同国家开展各自的微生物组研究计划以后,为了协调合作和数据共享,再去做各种纠正和补救。

最终受益于民

现如今,亿万吨人工制造的有毒化学物质进入环境,已经压倒了地球微生物降解和循环利用这些物质的能力;抗生素的滥用促进了慢性疾病,包括肥胖、糖尿病和癌症的世界性大流行……

在三位科学家看来,微生物组研究不单能给医学、能源、环境、食品、农业等领域带来革命性的、应用性的技术变化,还能够促进产业升级换代。通过开展IMI,人类可获得的成果将会不可胜数。

赵立平团队就曾首次发现遗传性肥胖的发病机理——即便是遗传性的儿童肥胖症,治疗靶点也并非在人自身的基因,而在肠道菌群。这一发现让人们重新认识到:基因缺陷造成的疾病可以通过后天肠道菌群的改善来治疗。

“很多微生物其实是最早启动了我们现在常见的很多慢性病的过程,所以,找到它就找到了控制该病的一个靶点。”赵立平说,“这样就可以通过药物、营养和菌群移植手术等各种方法将这个细菌量降到最低,从而将引起疾病的风险降到最低。”

“IMI对解决各个领域的危机的作用如何目前来说还很难预测,但这也正如肠道微生物,一开始并不知道它会起多大作用,但真正做完才发现其作用巨大,甚至可以影响人的心理健康等。”在金城看来,目前仍有许多非常基础的科学问题需要全球科学界去通力解决。

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