當前的微生物學(xué)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(yōu)勢的微生物，在解決地球各類(lèi)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(lèi)如今所面臨的能源短缺、環(huán)境污染、糧食安全、疾病流行等幾乎所有問(wèn)題的背后，都少不了微生物的參與。
如何通過(guò)微生物組研究化解危機？日前，中、美、德三國科學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)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(xué)界集結一支多學(xué)科背景的國際研究隊伍，啟動(dòng)“國際微生物組計劃（IMI）”。
這三位科學(xué)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(xué)教授瑪格麗特·麥克福爾·蓋恩和中國上海交通大學(xué)教授趙立平。
趙立平日前在接受《中國科學(xué)報》記者采訪(fǎng)時(shí)指出，當前的微生物學(xué)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(kāi)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(zhù)一個(gè)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(yè)、醫療等領(lǐng)域中諸多難題的關(guān)鍵，具有不可估量的經(jīng)濟和社會(huì )效益。
正是意識到這一點(diǎn)，去年10月28日，美國48位科學(xué)家在《科學(xué)》雜志上聯(lián)合發(fā)文提出 “聯(lián)合微生物組計劃（UMI）”，開(kāi)展對人體、植物、動(dòng)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(xué)”兩大科學(xué)計劃予以同樣重視。
然而，在上述三位科學(xué)家看來(lái)，這仍只是一個(gè)美國項目，地球生物群落并沒(méi)有國界線(xiàn)，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(xué)家、化學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家、數學(xué)家、物理學(xué)家、計算機專(zhuān)家以及臨床專(zhuān)家的合作。
去年10月29日，他們就在《自然》雜志上發(fā)文，建議在UMI的基礎上啟動(dòng)IMI，召集所有相關(guān)學(xué)科的專(zhuān)家一起工作，使不同國家和研究領(lǐng)域能夠共享標準，從而實(shí)現資源的整合。
實(shí)際上，自2005年巴黎“人類(lèi)微生物組圓桌會(huì )議”之后，國際科學(xué)界就開(kāi)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(gè)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(gè)數量級。
不同學(xué)科之間的“碎片化”以及研究之間缺乏協(xié)調合作，已經(jīng)成為微生物組研究的兩大絆腳石。
“當科學(xué)研究面對一個(gè)復雜問(wèn)題的時(shí)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(gè)人看到的都是局部，每個(gè)學(xué)科都有自己的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，當大家在一起討論時(shí)就如雞同鴨講�！壁w立平打趣地說(shuō)，“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(lái)，有很多問(wèn)題一定要把不同地區、不同環(huán)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(dòng)釋放的溫室氣體的量不亞于人類(lèi)生產(chǎn)和生活的釋放量，也就是說(shuō)，控制工業(yè)碳排放并不能解決根本問(wèn)題，而只有把全球的數據整合在一起才能夠真正揭示問(wèn)題和規律。
整合需解決兩大任務(wù)
“數據是一種最寶貴的資源，要讓這些資源發(fā)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(wèn)題�！壁w立平告訴記者，IMI的第一個(gè)任務(wù)就是解決數據整合的技術(shù)問(wèn)題，要為整個(gè)微生物組研究找到各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)學(xué)科通用、有效的方法。
這聽(tīng)上去很難，但實(shí)際上目前的技術(shù)水平已足以具備支撐這一龐大計劃的基礎，完成首個(gè)任務(wù)所需要具備的技術(shù)就是DNA測序、代謝組學(xué)、大數據。
趙立平表示，通過(guò)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(shù)已發(fā)展得較為成熟，現在的任務(wù)就是要繼續增加通量、降低成本，改進(jìn)測序方法使其縮短時(shí)間，更加方便。
而要想搞清楚一種微生物在特定環(huán)境下究竟能干什么，就需要代謝組學(xué)發(fā)揮作用�！盎诤舜殴舱竦拇x組學(xué)技術(shù)可以把一個(gè)樣品里濃度超過(guò)一定量的化合物檢測到一組特定的信號，這個(gè)信號經(jīng)過(guò)統計分析處理后，就可以轉變?yōu)榛衔锝Y構和濃度的信息�！壁w立平表示，現在能對成千上萬(wàn)的樣本用同樣的標準進(jìn)行分析的核磁共振代謝組學(xué)技術(shù)也已基本過(guò)關(guān)。
之后便需要大數據技術(shù)出馬。目前，從整個(gè)數據的存儲、質(zhì)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�！壁w立平說(shuō)。
不僅如此，IMI還將為微生物組研究找到新的跨學(xué)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(xiàn)斷層攝影術(shù)等成像技術(shù)，監測微生物代謝物的產(chǎn)生和交換的方法。
中國科學(xué)院微生物研究所研究員金城對《中國科學(xué)報》記者表示，IMI的實(shí)施已經(jīng)不存在技術(shù)障礙，目前最需要找到如何將各個(gè)系統、各個(gè)領(lǐng)域研究整合起來(lái)的新思路。江南大學(xué)生物工程學(xué)院教授高曉東則表示，如果真的要整合，知識產(chǎn)權將會(huì )是最大障礙。
而這就牽扯到IMI需要解決的第二個(gè)任務(wù)：愿不愿意整合，即利益分配的問(wèn)題。趙立平表示，產(chǎn)權保護一直對各種計劃和項目的數據共享問(wèn)題產(chǎn)生困擾，IMI可以對解析研究數據、發(fā)表論文和申請專(zhuān)利非常重要的元數據加以整理，并控制對這些元數據的訪(fǎng)問(wèn)權，以此解決數據共享和知識產(chǎn)權保護糾紛。
趙立平稱(chēng)，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(gè)人簽署協(xié)議，要求將來(lái)如果通過(guò)整合數據獲得專(zhuān)利并產(chǎn)生收益，提供數據者也將獲得一定回報。
三位科學(xué)家強調指出，現在必須盡快啟動(dòng)IMI，讓相關(guān)領(lǐng)域的研究群體都愿意重新開(kāi)始并遵守新的規則，這樣才能避免在不同國家開(kāi)展各自的微生物組研究計劃以后，為了協(xié)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(wàn)噸人工制造的有毒化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境，已經(jīng)壓倒了地球微生物降解和循環(huán)利用這些物質(zhì)的能力；抗生素的濫用促進(jìn)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(xué)家看來(lái)，微生物組研究不單能給醫學(xué)、能源、環(huán)境、食品、農業(yè)等領(lǐng)域帶來(lái)革命性的、應用性的技術(shù)變化，還能夠促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級換代。通過(guò)開(kāi)展IMI，人類(lèi)可獲得的成果將會(huì )不可勝數。
趙立平團隊就曾首次發(fā)現遺傳性肥胖的發(fā)病機理——即便是遺傳性的兒童肥胖癥，治療靶點(diǎn)也并非在人自身的基因，而在腸道菌群。這一發(fā)現讓人們重新認識到：基因缺陷造成的疾病可以通過(guò)后天腸道菌群的改善來(lái)治療。
“很多微生物其實(shí)是最早啟動(dòng)了我們現在常見(jiàn)的很多慢性病的過(guò)程，所以，找到它就找到了控制該病的一個(gè)靶點(diǎn)�！壁w立平說(shuō)，“這樣就可以通過(guò)藥物、營(yíng)養和菌群移植手術(shù)等各種方法將這個(gè)細菌量降到最低，從而將引起疾病的風(fēng)險降到最低�！�
“IMI對解決各個(gè)領(lǐng)域的危機的作用如何目前來(lái)說(shuō)還很難預測，但這也正如腸道微生物，一開(kāi)始并不知道它會(huì )起多大作用，但真正做完才發(fā)現其作用巨大，甚至可以影響人的心理健康等�！痹诮鸪强磥�(lái)，目前仍有許多非�；A的科學(xué)問(wèn)題需要全球科學(xué)界去通力解決。
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