2023年世界微生物數據中心（WDCM）年會(huì )日前在深圳舉辦，會(huì )上啟動(dòng)了全球“未培養微生物培養組”計劃。在當今世界，微生物被視為一種重要的戰略資源，該計劃的啟動(dòng)對于微生物資源的可持續利用具有重要意義。
那么，小小微生物與戰略資源有何關(guān)系？“未培養微生物培養組”計劃對微生物資源的可持續利用又有什么重要意義？我們今天請中國科學(xué)院微生物研究所工程師王科來(lái)聊聊這個(gè)話(huà)題。
在科學(xué)界占據重要一席
我們首先需要深入了解一下地球上的微生物，才能理解它為什么會(huì )受到科學(xué)家的青睞，又為什么能夠在當今科學(xué)界占據如此重要的一席。
在地球上，除了大家所熟知的動(dòng)植物之外，還有另一個(gè)重要的生物類(lèi)群——微生物。顧名思義，微生物的主要特點(diǎn)就是微小，它在科學(xué)上的定義是：肉眼難以看清，需要借助光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡才能觀(guān)察到的一切微小生物的總稱(chēng)。當然，這個(gè)概念也不是絕對的，2022年有科學(xué)家在加勒比海地區發(fā)現了比果蠅還要大的細菌，還有蘑菇，它們是真菌的子實(shí)體，而真菌也屬于微生物。
微生物囊括了地球生命之樹(shù)的多個(gè)生物類(lèi)群。從真核生物中的真菌、原生動(dòng)物和顯微藻類(lèi)，到原核生物中的細菌、放線(xiàn)菌和原核細胞型微生物支原體、衣原體等，再到?jīng)]有細胞結構的病毒和亞病毒，它們都屬于微生物的范疇。
真菌示意圖
微生物雖然個(gè)體微小，其作用卻很大。38億年前，微生物作為最早的生命體出現在地球上，并逐步進(jìn)化成為復雜和多細胞的生命體，最終演化為動(dòng)植物及人類(lèi)。人類(lèi)本身對于微生物而言既是一個(gè)寄主也是一個(gè)共生體，在人體內的微生物數量多達數百萬(wàn)億個(gè)，總重量可超過(guò)1公斤，其中有共生的腸道菌群，也有可能帶來(lái)疾病的致病寄生菌。有益細菌可以幫助我們消化食物、合成營(yíng)養素、維護腸道健康、調節免疫系統等，還可以防止有害細菌的侵入和繁殖。
在如今的地球生物圈中，各類(lèi)生物各司其職，而微生物扮演著(zhù)“分解者”這一重要角色。它們可以把動(dòng)植物遺體、糞便等復雜的有機物質(zhì)逐步分解為簡(jiǎn)單的無(wú)機物，最終以無(wú)機物的形式回歸到環(huán)境中，成為植物等自養生物的營(yíng)養物質(zhì)�！胺纸庹摺弊鳛樯鷳B(tài)系統的必要組成成分，維持著(zhù)生態(tài)系統的物質(zhì)循環(huán)，以保證生態(tài)系統結構和功能的穩定。如果沒(méi)有微生物，動(dòng)植物殘骸將淹沒(méi)地球，各類(lèi)營(yíng)養物質(zhì)不再參與循環(huán)，地球生態(tài)系統終將崩潰。
微生物對于地球生命起源和生物圈有著(zhù)不可替代的作用。雖然人類(lèi)對于微生物的認識和研究?jì)H有300多年，但小小微生物已經(jīng)為人類(lèi)的生產(chǎn)生活帶來(lái)了巨大影響。
在科技前沿展示重要戰略潛力
微生物在食品、藥物、工業(yè)、材料等多個(gè)領(lǐng)域也發(fā)揮著(zhù)重要的作用。習近平總書(shū)記在2022年全國兩會(huì )期間曾提出：“發(fā)展生物科技、生物產(chǎn)業(yè)，向植物動(dòng)物微生物要熱量、要蛋白�！蔽⑸镏械恼婢褪翘烊坏募Z倉和優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的來(lái)源。比如，香菇、木耳、牛肝菌等種類(lèi)多樣的可食用真菌，不僅味道鮮美，還是一類(lèi)高營(yíng)養、高蛋白、低脂、低糖、富含維生素和微量元素的健康食品；從真菌和放線(xiàn)菌中提取出的抗生素，在二戰期間挽救了數百萬(wàn)人的生命，成為人類(lèi)對抗細菌性感染病的良藥；在工業(yè)上，微生物發(fā)酵技術(shù)為人類(lèi)帶來(lái)了面包、醬油、腐乳和醬等食品和調味料，生產(chǎn)出酒精、丁醇等生物燃料，一些微生物制劑和代謝物還可以用作綠色的生物農藥。
相對于地球上龐大的微生物家族而言，雖然科學(xué)家已培養的微生物種類(lèi)十分有限，但仍然不妨礙這些微生物資源成為現代生物技術(shù)研究以及生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基石。它們在食品、醫藥、肥料、飼料、發(fā)酵、輕化工、環(huán)境保護、紡織、石油、冶金等領(lǐng)域均有廣泛應用，所產(chǎn)生的經(jīng)濟和社會(huì )價(jià)值難以估量，是保障國家糧食安全、生態(tài)安全、能源安全等的重要戰略資源儲備。
培養皿中的真菌和細菌
目前，微生物已經(jīng)在科技前沿展示了重要的戰略潛力。
在微生物生理代謝過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生各種不同的酶，酶可用于催化各類(lèi)理化反應。比如，檢測病毒感染所用到的核酸檢測技術(shù)，這個(gè)實(shí)驗要在高溫下完成，而普通的DNA聚合酶會(huì )在高溫下失活，科學(xué)家從高溫熱泉中發(fā)現的微生物完美解決了這一問(wèn)題，因為熱泉微生物體內的各種生物酶在高溫下仍能夠保持活性。
利用微生物生產(chǎn)燃料，被看作是解決未來(lái)能源危機的一個(gè)重要突破口。我們都知道酵母菌可以在無(wú)氧條件下，通過(guò)體內的酶系統產(chǎn)生乙醇。當前用來(lái)生產(chǎn)乙醇的原料主要是甘蔗、馬鈴薯、高粱等農作物，若大量生產(chǎn)乙醇，會(huì )影響到人類(lèi)的食物來(lái)源。而一些木酶、曲霉等微生物體內有纖維素酶，可以把樹(shù)枝、樹(shù)葉、稻草、糠殼等分解為葡萄糖，再由酵母菌制造乙醇，由于這一過(guò)程的原料都來(lái)自綠色植物，所以其生產(chǎn)出來(lái)的乙醇也被稱(chēng)作綠色汽油。
作為“分解者”的微生物，除了能降解腐殖質(zhì)、動(dòng)植物遺骸和糞便，甚至還可以降解塑料。近年，科學(xué)家從垃圾場(chǎng)中發(fā)現了一種可以“吃”塑料的細菌，研究發(fā)現這種細菌體內可產(chǎn)生一種能分解PET塑料（常用于服裝和飲料瓶）的酶，若能提高這些酶的降解效率，白色污染的治理難題將不再困擾人類(lèi)。
分解塑料的真菌在生長(cháng)
還有真菌，在生長(cháng)過(guò)程中會(huì )形成一種叫做菌絲體的營(yíng)養結構，不僅黏合力超強，還有很高的可塑性和可模壓性，使其具有用作新型材料的潛力，現已成功被開(kāi)發(fā)用于包裝材料、服裝、運動(dòng)鞋、絕緣材料、房屋建材等多種用途。這種新型材料可用來(lái)代替塑料、皮革、聚苯乙烯等難降解、易造成環(huán)境污染的傳統材料，其天然可降解的特點(diǎn)非常符合當前社會(huì )注重環(huán)保和可持續發(fā)展的要求。
總之，在生物技術(shù)高度發(fā)展的今天，生物資源已經(jīng)成為一個(gè)國家重要的戰略資源，也是衡量國家綜合國力的指標之一。因此，制定合理的生物資源保護策略，加強對生物多樣性的保護、維持和可持續利用，關(guān)系到國民經(jīng)濟發(fā)展和社會(huì )穩定，關(guān)系到國家主權與安全。
為何“99%的微生物物種未被培養”
微生物單個(gè)個(gè)體十分微小，且在環(huán)境中總是多種微生物混雜在一起生存。若想對某一種微生物開(kāi)展深入的生理、代謝、應用等研究，就得先對它進(jìn)行單獨培養。
作為一類(lèi)異樣生物（又稱(chēng)外養生物，指不能自己合成有機物，須以外源有機物為食物的生物），微生物的生長(cháng)與繁殖離不開(kāi)外界的營(yíng)養，所以，培養微生物首先就是為其準備適宜生長(cháng)的培養基。由于微生物種類(lèi)繁多，不同類(lèi)型的微生物所適宜的培養條件也不一樣，比如，以牛肉膏和蛋白胨為主要成分的培養基適合細菌生長(cháng)，而多數真菌更偏愛(ài)以馬鈴薯和葡萄糖為主要成分的培養基。研究人員將環(huán)境樣品（如土壤、水、腐殖質(zhì)等）溶于無(wú)菌水后稀釋到不同的倍數，均勻涂在培養基表面，密封之后在特定溫度、光照、濕度等條件下進(jìn)行培養。一般幾小時(shí)到幾天之內就能看到微生物菌落，微生物就初步培養成功了。
然而，微生物的培養不是一件容易的事。
目前，地球上已經(jīng)被描述和認知的原核微生物僅有1.5萬(wàn)種，而科學(xué)家對于地球上可能存在的原核微生物物種的數量，尚未達成共識，按照不同的估算方法，估計數量從幾萬(wàn)到1萬(wàn)億不等，數量級差可達億級�？茖W(xué)家對于真核微生物中的真菌多樣性研究相對充分，地球上真菌物種的保守估計數量為220萬(wàn)至380萬(wàn)種，已被認知的真菌有15萬(wàn)種，不及估計數量的6%，其中能夠人工培養的真菌遠不及十分之一�？傮w來(lái)看，我們對于微生物的認知僅是其冰山一角，“99%的微生物物種未被培養”這一說(shuō)法毫不夸張。
豐富的物種多樣性同樣意味著(zhù)微生物適生環(huán)境、生長(cháng)代謝條件的多樣性，也為微生物的針對性培養帶來(lái)了困難。
首先，人類(lèi)對微生物多樣生長(cháng)環(huán)境的認識無(wú)法窮盡，因此在實(shí)驗室不能完全模擬其生長(cháng)的原生生態(tài)環(huán)境，使得某些微生物生長(cháng)所必需營(yíng)養元素及生物小分子信號物質(zhì)在培養基中得不到補充，從而導致目的微生物無(wú)法正常生長(cháng)。還有一些微生物生長(cháng)于極端環(huán)境，如缺氧、高/低溫、高/低鹽、深海、鹽堿地、冰川和洞穴等。當前，科學(xué)家還無(wú)法完全模擬這些環(huán)境條件及物理化學(xué)指標，往往只能抓住主要環(huán)境因子設計分離培養方法，從中分離出少部分極端環(huán)境的微生物物種。
其次，微生物在自然界不是單獨存在的，常以群落形式存在，每個(gè)微生物群落會(huì )包含多個(gè)物種甚至多個(gè)類(lèi)型的微生物，各自的生長(cháng)速率存在較大差異。在分離培養微生物時(shí)，同樣的培養基及培養條件下，快生長(cháng)的微生物會(huì )迅速富集、大量繁殖，占據較多的生長(cháng)資源，成為培養基上的優(yōu)勢物種，從而擠占和抑制其他慢生長(cháng)微生物的生存空間，使其難以大量繁殖形成足夠規模的菌落，無(wú)法被科學(xué)家檢測出來(lái)。
此外，微生物還普遍存在著(zhù)休眠策略，在處于不利環(huán)境條件時(shí)進(jìn)入可逆的低代謝活動(dòng)狀態(tài)。也就是說(shuō)，若無(wú)法模擬出適合其生長(cháng)的條件，就無(wú)法使其從休眠狀態(tài)中復蘇，更別提培養了。
以上多個(gè)方面的因素，都是科學(xué)家正在面臨的微生物培養難題。究其原因，就是無(wú)法滿(mǎn)足微生物適宜生長(cháng)的外界條件，從而使其無(wú)法正常生長(cháng)和繁殖。為了突破這一瓶頸，科學(xué)家已經(jīng)做出很多嘗試，一是改良傳統培養方法，比如在培養基中添加特定的微量元素、群落相互作用的小分子、生物信號等小分子物質(zhì)以促進(jìn)微生物的生長(cháng)，同時(shí)盡可能模擬其在自然生長(cháng)環(huán)境中的含氧量、酸堿度、溫度等外界條件。二是設計新方法、新技術(shù)來(lái)培養微生物，比如適用于培養“群居”微生物的共培養方法、保留其自然生態(tài)環(huán)境的原位培養技術(shù)、將樣品中不同類(lèi)型微生物進(jìn)行篩選分離而后針對性培養的細胞分選技術(shù)等。
不過(guò)，無(wú)論是改良傳統方法，還是設計新培養方法，由于操作復雜、實(shí)驗周期長(cháng)、設備昂貴等多種因素，是無(wú)法針對萬(wàn)級甚至億級數量的微生物普及使用的。
DNA測序推動(dòng)微生物科研創(chuàng )新
微生物資源如此重要，人工操作的培養方法又無(wú)法在大多數微生物上普及使用，那么有沒(méi)有其他可以普及的方法呢？科學(xué)家認為，信息技術(shù)可以為發(fā)掘未培養微生物提供新的思路和可能性。
發(fā)明于上世紀70年代的DNA測序技術(shù)使科學(xué)家得以獲取生物體的遺傳信息、識別功能基因、研究遺傳變異等，并迅速在醫學(xué)、農業(yè)、生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域廣泛應用。到了本世紀初，傳統測序技術(shù)經(jīng)過(guò)改良發(fā)展成為新一代的高通量測序技術(shù)，可以一次并行對大量核酸分子進(jìn)行平行序列測定，從而快速獲取多個(gè)生物體的遺傳物質(zhì)。同樣的，通過(guò)高通量測序技術(shù)對環(huán)境樣品進(jìn)行測序，可以快速獲得其中各種微生物的DNA序列，包括未被培養的微生物物種。
一旦拿到了測序所獲得的海量序列和數據，通過(guò)海量數據比對和基因組學(xué)研究，比如將未培養物種與已培養物種的功能基因相對比，來(lái)判斷某種未培養微生物可能的適宜生長(cháng)條件，就可以借助人工智能模型展開(kāi)分析，對某種微生物的培養條件進(jìn)行預測和數字模擬。下一步，針對性地配置培養基和設計培養條件，來(lái)促進(jìn)某種特定微生物的生長(cháng)。
當以上環(huán)節順利完成，就可以快速、大量發(fā)現和描述微生物新物種，極大拓展可培養微生物的物種范圍，從而獲得大量具有重要應用價(jià)值的微生物種質(zhì)資源和數據，為合成生物學(xué)研究提供重要功能元件，使微生物更充分地發(fā)揮其戰略資源價(jià)值。
基于上述全新的研究思路和方法，此次舉辦的世界微生物數據中心年會(huì )正式啟動(dòng)了“未培養微生物培養組”計劃。這一計劃將集合全球微生物學(xué)者的力量，開(kāi)展廣泛的宏基因組測序，從中獲得海量高質(zhì)量的微生物基因組及表型數據，不斷完善和優(yōu)化人工智能模型，建立大數據和人工智能指導下的精準培養體系，通過(guò)深度融合生物技術(shù)/信息技術(shù)，實(shí)現微生物領(lǐng)域科研模式的創(chuàng )新和突破。
讓我們期待微生物世界的神秘面紗逐步被揭開(kāi)，有害微生物能夠得到有效防治，有益微生物也能夠更多地被發(fā)現從而造福人類(lèi)。
來(lái)源：北京日報客戶(hù)端
提醒：本文章所有內容均來(lái)源網(wǎng)絡(luò )，僅用于學(xué)習交流，若有侵權內容，請及時(shí)聯(lián)系刪除或修改，特此聲明！
上一篇：諾如病毒感染進(jìn)入多發(fā)季！全人群普遍易感
下一篇：沒(méi)有了！
海博微信公眾號
海博天貓旗艦店
