中美德科学家共同呼吁启动“国际微生物组计划”

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■我们的记者李

当前的微生物研究就像“盲人摸象”。由于不同国家的研究方法和标准不统一，很难对数据进行比较和整合。这种“碎片化”的现状造成了资源的极大浪费。

微生物以其独特的生理和代谢优势在解决地球上各种超乎我们想象的危机中发挥了作用——从污水处理到气候变暖，微生物的参与是当今人类面临的几乎所有问题背后不可或缺的，如能源短缺、环境污染、食品安全、疾病流行等。

如何通过微生物研究解决危机？几天前，来自中国、美国和德国的科学家在《自然》杂志上发表了一篇论文，呼吁全球科学界组建一个具有多学科背景的国际研究团队，启动“国际微生物学计划(IMI)”以了解微生物如何影响人类和地球的健康。

这三位科学家是德国马克斯·普朗克海洋研究所的教授妮可·杜比利、美国夏威夷大学的教授玛格丽特·麦克福尔·金和中国上海交通大学的教授赵丽萍。

几天前，赵丽萍在接受《中国科学报》记者采访时指出，目前的微生物学研究就像“瞎子摸象”。由于不同国家的研究方法和标准不统一，很难对数据进行比较和整合。这种“分散”的情况导致了资源的极大浪费。只有通过整合全球数据，我们才能真正解开地球微生物群落的更多秘密。

“碎片化”亟待突破

微生物学是微生物群落中所有基因组信息的总和，它决定了一个群落能发挥什么功能。深入研究和分析微生物群体的信息总量、分布特征和表达规律，是解决当前能源、农业、医疗等领域诸多难题的关键，具有不可估量的经济和社会效益。

正是认识到这一点，美国48名科学家于去年10月28日在《科学》杂志上联合发表了一篇论文，提出“联合微生物群计划(UMI)”对人体、植物、动物、土壤和海洋等几乎所有的微生物群进行研究，并希望美国将与“精密医学”和“脑科学”两大科学计划同等重视。

然而，在上述三位科学家看来，这仍然只是一个美国项目。地球上的生物群落没有国界，揭开它的秘密需要全世界的努力。微生物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、计算机专家和临床专家的合作。

去年10月29日，他们在《自然》杂志上发表了一篇文章，建议IMI应该在UMI的基础上起步，并召集各相关学科的专家，使不同国家和研究领域共享标准，实现资源整合。

事实上，自2005年巴黎“人类微生物圆桌会议”以来，国际科学界已经开展了至少八个人类微生物研究项目。这些程序产生了大量的数据，但是它们很难比较和集成。例如，使用不同的软件包来分析同一生物样品的测序数据，样品中包含的微生物种类的数量的估计可以相差2-3个数量级。

不同学科之间的分裂和研究之间缺乏协调与合作已成为微生物研究的两大绊脚石。

“当科学研究面临复杂的问题时，就相当于盲人摸大象。有很多人在触摸，但是他们触摸不同的图像，触摸不同部位的人不能有效地相互交流。每个人都看到了部分，每个学科都有自己的术语，当我们一起讨论它时，它就像一只鸡和一只鸭子。”赵丽萍打趣道:“只有当所有的盲人摸着同一个大象并互相交流时，完整的真相才能被揭示。”

赵丽萍认为，在揭示法律之前，有许多问题必须与来自不同地区和不同环境的数据相结合。以全球变暖为例，微生物生命活动释放的温室气体量不低于人类生产和生活释放的温室气体量，也就是说，控制工业碳排放不能解决根本问题，只有整合全球数据才能真正揭示问题和规律。

整合需要解决两大任务

“数据是最宝贵的资源之一。为了使这些资源充分发挥其效益，我们必须解决一体化和愿意或不愿意一体化的问题。”赵立平告诉记者，IMI的首要任务是解决数据集成的技术问题，并在所有领域和学科中为整个微生物研究寻找通用和有效的方法。

这听起来很难，但事实上目前的技术水平足以支持这个庞大的项目。完成第一项任务所需的技术是DNA测序、代谢组学和大数据。

赵丽萍说，微生物的特定功能和遗传潜力可以通过测序来确定。目前，新一代高通量测序技术已经发展得比较成熟。现在的任务是继续提高产量，降低成本，并改进测序方法，以缩短时间，使其更加方便。

为了理解微生物在特定环境中能做什么，代谢组学必须发挥作用。“基于核磁共振的代谢组学技术可以检测样品中浓度超过一定量的化合物的一组特定信号。经过统计分析后，信号可以转换成化合物结构和浓度的信息。”赵立平说，核磁共振代谢组学现在可以用同样的标准分析成千上万个样本，已经基本通过了测试。

那么就需要大数据技术。目前，大量的方法已经出现在整个数据存储、质量控制、挖掘、模式识别等领域。"现有的方法在一定程度上可以让我们找到一些规律性."赵丽萍说。

不仅如此，IMI还将为微生物研究找到新的跨学科研究方法。例如，可以区分亚细胞结构和揭示微生物细胞功能的成像技术，如共焦和低*射线断层扫描，可用于监测微生物代谢物的产生和交换。

中国科学院微生物研究所研究员金成对《中国科学日报》表示，IMI的实施没有技术障碍，最有必要的是找到新的思路，整合各个系统和领域的研究。江南大学生物工程学院教授高晓东表示，如果真的需要整合，知识产权将是最大的障碍。

这涉及到IMI的第二个任务:它是否愿意整合，即利益分配问题。赵立平说，产权保护一直困扰着各种计划和项目的数据共享。IMI可以整理对分析研究数据、发表论文和申请专利非常重要的元数据，并控制对这些元数据的访问权，从而解决数据共享和知识产权保护方面的争议。

赵立平表示，IMI方面仍在探索更多途径，例如大数据分析单位与提供数据的单位或个人签署协议，要求如果将来通过数据整合获得专利和收入，数据提供商也将获得一定回报。

这三位科学家强调，IMI必须尽快启动，以便相关领域的研究团体愿意重新开始并遵守新的规则。只有这样，在不同国家开展了各自的微生物学研究项目以协调合作和数据共享之后，才能避免各种纠正和补救措施。

最终造福人民

目前，成千上万吨人工生产的有毒化学物质进入环境，这已经超过了地球微生物降解和回收这些物质的能力。抗生素的滥用加剧了慢性疾病的全球流行，包括肥胖症、糖尿病和癌症。

这三位科学家认为，微生物研究不仅可以给医药、能源、环境、食品、农业等领域带来革命性的应用技术变革，还可以促进产业升级。通过IMI的发展，人类将取得无数的成果。

赵丽萍的团队首次发现了遗传性肥胖的发病机制——即使对于遗传性儿童肥胖，治疗目标也不是人类基因本身，而是肠道菌群。这一发现使人们再次认识到，由遗传缺陷引起的疾病可以通过改善后天肠道菌群来治疗。

“许多微生物实际上开始了我们现在常见的许多慢性疾病的过程，因此找到它们将会找到控制疾病的目标。”赵丽萍说:“通过这种方式，可以通过药物、营养和菌群移植等各种方法将这种细菌的数量降到最低，从而将患病风险降到最低。”

“目前还很难预测IMI将如何在解决各个领域的危机中发挥作用，但它就像肠道微生物一样。起初，我不知道它会发挥多大作用，但当它真正完成时，我发现它将发挥巨大作用，甚至影响人们的心理健康。”在金城看来，全球科学界仍有许多非常基本的科学问题需要解决。

中国科学新闻(2016-02-16，第6版前沿)

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