美國啟動“國家微生物組計(jì)劃”

來源：作者：人氣：-發(fā)表時間：2016-05-19 10:16:00【大中小】

2016年5月13日，美國白宮科學(xué)和技術(shù)政策辦公室（OSTP）與聯(lián)邦機(jī)構(gòu)、私營基金管理機(jī)構(gòu)一同宣布啟動“國家微生物組計(jì)劃”（National Microbiome Initiative，簡稱NMI），這是奧巴馬政府繼腦計(jì)劃、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、抗癌“登月”之后推出的又一個重大國家科研計(jì)劃。

實(shí)際上，去年5月份，美國的白宮科技政策辦公室（OSTP）發(fā)布公告稱，對微生物群落或“微生物組”基本問題的研究，將有助于推動基礎(chǔ)研究邁向廣泛領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，包括環(huán)境治理、糧食生產(chǎn)、營養(yǎng)與醫(yī)學(xué)研究等。鑒于微生物組研究在各個不同應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)證實(shí)的和潛在的價值。時隔一年，美國終于捷足先登，率先開展這項(xiàng)大計(jì)劃！

根據(jù)白宮公布的信息顯示，新研究計(jì)劃關(guān)注的方向主要包括如下幾個方面：支持跨學(xué)科研究，解決不同生態(tài)系統(tǒng)微生物的基本問題；開發(fā)平臺技術(shù)，對不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物組的認(rèn)識以及知識的積累，并提高微生物數(shù)據(jù)的訪問；通過公民科學(xué)、公眾參與，擴(kuò)大微生物的影響力。

此次微生物研究計(jì)劃陣容強(qiáng)大：美國能源部、航空航天局、國立衛(wèi)生研究院、美國國家科學(xué)基金會、農(nóng)業(yè)部都公布了相應(yīng)的研究方向。這些部門將一起展開環(huán)境微生物的研究，構(gòu)成NMI的研究系統(tǒng)。美國政府以往每年會投入3億美元花在微生物研究上，NMI計(jì)劃將會令這一領(lǐng)域的經(jīng)費(fèi)增長1.21億美元。作為對白宮這一舉措的回應(yīng)，投資者以及科研機(jī)構(gòu)會跟進(jìn)4億美元的資助（簡評：其實(shí)這些錢真心不多，中國跟進(jìn)肯定是數(shù)倍的！但是官方的態(tài)度是最重要的）。

NMI計(jì)劃將給我們會帶來什么？這是一個很難回答的問題，如果將與人類相關(guān)的所有環(huán)境微生物和人體微生物都弄清楚，那么這將是人類認(rèn)識生命歷史上重要的事件之一。同時研究工具以及手段的進(jìn)步，將會提高微生物研究的效率。微生物本身是一個巨大的知識庫，它將會在很大程度上改變我們對微生物、環(huán)境以及我們自身的態(tài)度。例如我們通過生活方式的改變，來增加微生物對人體健康帶來的影響。

事實(shí)上，除了NMI計(jì)劃外，目前美國和歐盟已啟動的大型人類微生物研究計(jì)劃還包括人類微生物組計(jì)劃（HMP）和MetaHIT。HMP計(jì)劃是由美國國立衛(wèi) 生研究院啟動，旨在收集跟人體相關(guān)的所有微生物，探討微生物群落的豐度對人體的影響，從而幫助我們了解其在人類健康和疾病中的作用。MetaHIT計(jì)劃是由歐盟第七框架計(jì)劃(FP7)資助的子項(xiàng)目之一，致力于建立人腸道微生物基因與人體健康和疾病的關(guān)系。

微生物組里程碑性事件

2011年，“地球微生物計(jì)劃”（Earth Microbiome Project）啟動，該計(jì)劃旨在通過對全球典型的環(huán)境樣本進(jìn)行宏基因組測序，包括土壤、海洋、空氣、淡水等生態(tài)系統(tǒng)，從而全方位地分析微生物群落的多樣性及其功能。在海洋微生物研究方面，科學(xué)狂人克雷格·文特爾（Craig Venter）可以說一直走在時代的前沿，其創(chuàng)立的克雷格·文特爾研究所（J. Craig Venter Institute）早在2004年就發(fā)表了關(guān)于馬尾藻的基因組研究。目前，他的研究組已在全球收集了數(shù)千份海洋資源的樣本。

在2011年十大科學(xué)突破中，人類微生物組研究的新突破也被評上了，這應(yīng)該是微生物組全面走向“網(wǎng)紅”的開始吧。2013年上半年，美英科學(xué)家預(yù)測未來可能十大科技突破，其中就有微生物組，這預(yù)示微生物組開始走向熱潮。同年，《科學(xué)》公布2013年度十大科學(xué)突破，微生物組研究位列第10位，名為——我們的微生物，我們的健康！

2014年11月15-19日，在美國神經(jīng)生物學(xué)協(xié)會年會上，科學(xué)家們還專門發(fā)起了一個論壇叫“腸道微生物和大腦：神經(jīng)科學(xué)的典范轉(zhuǎn)移”，表明神經(jīng)科學(xué)基本理論正在發(fā)生原先基于根本假設(shè)的改變。同時，明確提出“腦-腸軸”理論。

中國微生物組的呼聲與推動者

在國內(nèi)，2015年，生物谷率先在國內(nèi)舉辦腸道微生物領(lǐng)域的學(xué)術(shù)會議，進(jìn)一步推動國人對腸道微生物的關(guān)注程度，2016年是第二屆。同時，去年上海交通大學(xué)教授趙立平教授就大聲疾呼成立全球性腸道微生物聯(lián)合組織，同時，趙立平因?yàn)樵谀c道微生物方面的研究當(dāng)選美國微生物科學(xué)院（American Academy of Microbiology, AAM）院士。趙立平教授為了普及腸道微生物知識，不惜開展科普教育，寫出趣談腸道微生物三節(jié)文章，引發(fā)高度關(guān)注。把腸道微生物從科學(xué)領(lǐng)域推向公眾領(lǐng)域，引發(fā)更多學(xué)者的關(guān)注。

此次美國微生物組計(jì)劃剛一啟動，趙立平教授又公平提出啟動“中華民族人體微生物組計(jì)劃”，這些不遺余力的推動與呼吁，推動了中國微生物組領(lǐng)域的快速發(fā)展。

什么是微生物組？不可思議的微生物

微生物一詞來自英文Microorganism，指生活在顯微尺寸下的生物，可以是單細(xì)胞或多細(xì)胞生物，包括：細(xì)菌、真菌、病毒以及一些小型的原生動物等等。從1674年列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek) 發(fā)明顯微鏡開始，微生物逐漸被人們科學(xué)地認(rèn)識，曾經(jīng)有報(bào)道指出地球上存在1萬億種微生物，但其中只有非常小的比例被人描述過。

從對流層頂部的大氣層到海洋深處，從冰山之巔到生命禁區(qū)的沙漠之深，從近百攝氏度的海底火山口到高鹽的鹽湖，都有微生物的身影。在我們的身體上，微生物從皮膚到我們的腸道，凡是跟外界接觸的地方都有它們的存在。微生物比人類更早的出現(xiàn)在地球上，它們無孔不入、無處不在。目前，美國航空航天局（NASA）的科學(xué)家在追尋宇宙微生物的存在。

地球上存在1萬億種微生物，但其中只有非常小的比例被人描述過

微生物對人類的重要意義

微生物組（Microbiome）是指一個特定環(huán)境中的微生物群，它們生活在一定環(huán)境空間，相互影響并彼此平衡，從而形成了相對穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境。微生物不僅能保持生態(tài)系統(tǒng)的健康功能，并且影響人類健康、氣候變化、糧食安全等。部分功能性微生物還與人類的慢性疾病相關(guān)，如肥胖、糖尿病、哮喘等。它們在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、生物燃料的生產(chǎn)以及食品加工等領(lǐng)域也發(fā)揮重要作用。

事實(shí)上，人類對微生物最早的認(rèn)識，可能是食用發(fā)酵變質(zhì)后的食物引起中毒時的痛苦記憶。后來人類就開始學(xué)會使用酵母菌來發(fā)酵生產(chǎn)易于消化的食物，如面包、醋和酒類等。自200年前發(fā)酵工業(yè)興起之時，人們開始大規(guī)模使用工業(yè)微生物，其中著名的是酵母菌以及生產(chǎn)各種抗生素使用的工業(yè)菌。利用微生物生產(chǎn)阿片類藥物以及紫杉醇、青蒿素等藥物，也已不再新鮮。有科學(xué)家在研究通過微生物來生產(chǎn)人類需要的所有食物、藥品、消耗品等生活所需。目前，基于工業(yè)微生物的發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)值已經(jīng)超過4000億元，而且人類對工業(yè)微生物的需求還在擴(kuò)大。

在人類曲折的歷史上，微生物也引發(fā)了造成大量死亡的流行性疾病，如黑死病、流感、瘧疾等。雖然很多微生物是人類的致病原，但我們也應(yīng)看到，它們也可產(chǎn)生像青霉素這樣的抗生素。隨著科技的發(fā)展以及知識的更新，人們逐步利用微生物來生產(chǎn)疫苗、抗生素等，幫助人們戰(zhàn)勝傳染病。

腸道微生物是近些年的研究熱點(diǎn)，它們寄生在人類腸道中，數(shù)量是我們自身細(xì)胞的數(shù)倍。雖然人類很久以前就已了解到腸道微生物跟人類的關(guān)系密切，但直至近些年來，研究者才揭示腸道微生物在人類健康和疾病中起到重要作用。通過與我們的大腦的關(guān)聯(lián)，腸道菌群既可控制人類的情緒，還影響我們對食物的喜好。在人體免疫系統(tǒng)方面，研究者發(fā)現(xiàn)它們在免疫發(fā)展的過程中起到重要作用。微生物還與人體呼吸性疾病、衰老以及癌癥關(guān)系密切。在藥物使用方面，研究者也在關(guān)注腸道微生物與抗生素、免疫治療的關(guān)系。實(shí)際上，研究者已把腸道微生物作為用藥的對象來對待，腸道菌群儼然已是一個不可忽視的器官。

研究迅速，了解有限

顯微鏡的出現(xiàn)，讓人們可以觀察微生物的形態(tài)。隨著各種微生物培養(yǎng)技術(shù)的成熟，人們可以對微生物持續(xù)的觀察，并根據(jù)形態(tài)等特征進(jìn)行分類。DNA 測序和分子遺傳學(xué)的發(fā)展，使得16sRNA基因測序成為微生物分類的主要研究方法。而高通量測序技術(shù)（Next Generation Sequencing，NGS）的出現(xiàn)則讓大量鑒定微生物成為可能。最近5年，微生物組的研究經(jīng)常是頂級學(xué)術(shù)雜志的常客，甚至每一期的雜志都有微生物群落的論文發(fā)表。

但對于地球上究竟有多少種微生物這一基本問題，至今依然沒有人能給出具體的答案。不僅因?yàn)槲⑸锏臄?shù)量龐大，種類繁多，另一方面，也是因?yàn)檠芯渴侄蔚娜狈Γ鐑H僅1克濕的土壤中就可能含有1010～1011個微生物個體，種類也可能超過1.6萬種。如果我們想理順?biāo)鼈兊墓δ芤约跋嗷ラg的關(guān)系，那么這一問題則更為復(fù)雜，期待NMI計(jì)劃能夠讓我們窺探微生物更多的秘密。

小小的微生物，為何能成為美國的國家級大型科研計(jì)劃？美國政府將如何實(shí)施這個計(jì)劃？最終的目標(biāo)又是什么？

啟動資金超5億美元

微生物存在于人體、植物、土壤、海洋等各種環(huán)境中，這些微生物群落的集合被稱為微生物組。

美國國家科學(xué)院院士、夏威夷大學(xué)太平洋生命科學(xué)中心主任瑪格麗特·麥克福爾－恩蓋告訴新華社記者，當(dāng)今這個時代人類面臨的挑戰(zhàn)，包括養(yǎng)活眾多的人口、生產(chǎn)可持續(xù)的能源、保護(hù)環(huán)境或減緩對環(huán)境的破壞，以及人類健康，都與生物學(xué)相關(guān)，可以從微生物世界中找到解決方案。

最近10年來，人們逐漸認(rèn)識到，從肥胖、糖尿病、哮喘等人類健康問題到海洋“死區(qū)”等環(huán)境問題，從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)到氣候變化，或多或少都與微生物組相關(guān)聯(lián)。腸道微生物組甚至被稱為人體的“第二基因組”。

鑒于微生物組對人類與環(huán)境健康的重要性，奧巴馬政府雖然任期將至，仍決定推出“國家微生物組計(jì)劃”。當(dāng)然，這與白宮科技政策辦公室副主任喬·漢德爾斯曼的大力推動也有直接關(guān)系。漢德爾斯曼原本就是一名微生物學(xué)家，計(jì)劃在今年7月重新回到她在耶魯大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)搞研究。

根據(jù)白宮公布的計(jì)劃，美國政府將在未來兩年投入1.21億美元“國家微生物組計(jì)劃”聯(lián)邦專項(xiàng)資金作為啟動資金。除了聯(lián)邦機(jī)構(gòu)外，還有數(shù)十所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)將加入“國家微生物組計(jì)劃”，它們將在未來幾年投入總共4億美元的啟動資金。

總體上，“國家微生物組計(jì)劃”有三大目標(biāo)：首先，支持跨學(xué)科研究，以回答多樣化生態(tài)系統(tǒng)中微生物組的基本問題，如什么是健康的微生物組；其次，開發(fā)檢測、分析微生物組的工具，如實(shí)時檢測空氣、土壤、水或人體微生物的手持傳感器；第三，培訓(xùn)更多的微生物組相關(guān)工作人員。

微生物組科技必將引發(fā)新一輪產(chǎn)業(yè)變革

從科學(xué)發(fā)展角度來看，為揭示生命奧秘和生態(tài)圈運(yùn)動規(guī)律，已經(jīng)到了必須從系統(tǒng)科學(xué)理論的基本觀念出發(fā)，搞清楚微生物群體活動的微觀機(jī)制與宏觀生命現(xiàn)象聯(lián)系的時候。從技術(shù)驅(qū)動看，已經(jīng)開展的各類微生物組學(xué)科技項(xiàng)目已經(jīng)促進(jìn)核心技術(shù)演化到關(guān)鍵階段，證明系統(tǒng)科學(xué)理論提倡的“自上而下”和“自下而上”研究方式在研究微生物群落等復(fù)雜生物體系方面具有巨大潛力。

從應(yīng)用需求看，微生物組具有重大的產(chǎn)業(yè)價值和生態(tài)價值。已證明，動植物體內(nèi)、土壤、海洋和大氣中的微生物群落，與人類、動植物的健康與營養(yǎng)，與全球氣候變化的動態(tài)平衡，與生態(tài)圈、地球圈的可持續(xù)發(fā)展等密切相關(guān)。搞清楚微生物組的功能和作用，對目前人類遇到的健康、農(nóng)業(yè)和環(huán)境等領(lǐng)域全局性問題，將提供一種新的具有全局性視角的技術(shù)解決方案，再配上合適的科技與社會治理手段，對整個人類社會都具有不可估量的經(jīng)濟(jì)社會效益。

“未來是微生物組的時代”

雖然“國家微生物組計(jì)劃”不像腦計(jì)劃、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、抗癌“登月”計(jì)劃那樣由奧巴馬本人對外宣布，但漢德爾斯曼在13日的白宮微生物組會議上指出，奧巴馬政府的一些優(yōu)先領(lǐng)域，比如精確醫(yī)學(xué)、可再生能源、農(nóng)業(yè)與氣候變化等，都與微生物組有“強(qiáng)烈關(guān)聯(lián)”。

事實(shí)上，得益于低成本高通量基因測序技術(shù)的發(fā)展、計(jì)算和成像技術(shù)的改進(jìn)，以及用于數(shù)據(jù)分析的生物信息學(xué)工具的革新等進(jìn)展，微生物組學(xué)正在迅速發(fā)展為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長的一個新興學(xué)科。

“過去幾年我們看到這個領(lǐng)域的新公司如雨后春筍般在全美涌現(xiàn)，一些公司做得非常、非常成功，”漢德爾斯曼對與會者說，“我們認(rèn)為未來是微生物的時代。國家的發(fā)展將依靠在微生物組及相關(guān)科學(xué)方面的偉大技術(shù)與創(chuàng)新。”

美國政府一直在微生物組領(lǐng)域進(jìn)行投資。早在2007年，美國國家衛(wèi)生研究院就啟動了為期10年的“人類微生物組項(xiàng)目”，累計(jì)投入資金2.15億美元，為今天微生物組研究的迅猛發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

近幾年，美國政府對微生物組領(lǐng)域的支持力度進(jìn)一步增加。美國官方2015年公布的報(bào)告顯示，2014財(cái)政年度在該領(lǐng)域的聯(lián)邦投資是2012財(cái)政年度的3倍，最近3年間的聯(lián)邦投資總額超過9.22億美元。

而“國家微生物組計(jì)劃”的啟動，在漢德爾斯曼看來標(biāo)志著一個新的里程碑，她在白宮官網(wǎng)的一篇博客中推介說：“如果有一件事我們可以確信，那就是微生物雖小，但它們的影響巨大。”

自2005年以來，國際科學(xué)界開展了至少8項(xiàng)人體微生物組計(jì)劃，包括美國人類微生物組項(xiàng)目、加拿大微生物組研究項(xiàng)目以及日本人體元基因組項(xiàng)目。中國科學(xué)家近年來也積極參與或牽頭實(shí)施了中法腸道元基因組研究、十萬食源性病原微生物基因組計(jì)劃、萬種微生物基因組計(jì)劃等。

但是上海交通大學(xué)趙立平教授指出，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，使得數(shù)據(jù)難以比較及整合，這種“碎片化”現(xiàn)狀造成資源的極大浪費(fèi)。

為此，趙立平聯(lián)合麥克福爾－恩蓋及一名德國微生物學(xué)家于去年10月在英國《自然》雜志發(fā)文，共同呼吁盡快啟動“國際微生物組計(jì)劃”。與此相呼應(yīng)，近20名美國科學(xué)家同時在美國《科學(xué)》雜志上發(fā)出類似提議，建議開展“聯(lián)合微生物組研究計(jì)劃”。

趙立平告訴記者，他們現(xiàn)在計(jì)劃在美國羅格斯大學(xué)建立一個實(shí)驗(yàn)室，把上海交大、羅格斯大學(xué)與夏威夷大學(xué)的研究力量組織起來，組成一個糖尿病微生物組國際研究中心，計(jì)劃5年內(nèi)從民間籌集2億美元的投資，集中攻關(guān)糖尿病。

麥克福爾－恩蓋則表示，“國際微生物組計(jì)劃”呼吁國際科學(xué)界通過全球合作加深對微生物界的認(rèn)識，“中國是世界大國之一，所以中國有可能成為采取措施、承擔(dān)領(lǐng)導(dǎo)角色的國家之一”。