美國為何以總統之名推出微生物研究新計劃?

国产v亚洲v天堂a微生物在地球上無處不在,有人估計他們的種類可達1萬億種,但我們對它們知之甚少。盡管此前微生物研究領域已有數個大科學項目,深入探究微生物,但5月13日,美國再次啟動壹項新的微生物計劃——國家微生物組計劃,擬通過該計劃促進不同環境的微生物組研究。

美國啟動新的國家微生物組計劃NMI

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2016年5月13日,美國白宮科學和技術政策辦公室(OSTP)與聯邦機構、私營基金管理機構壹同宣布啟動新的國家微生物組計劃(National Microbiome Initiative,簡稱NMI),以促進不同環境的微生物組研究。

根據白宮公布的信息顯示,新研究計劃關註的方向主要包括如下幾個方面:支持跨學科研究,解決不同生態系統微生物的基本問題;開發平臺技術,對不同生態系統中微生物組的認識以及知識的積累,並提高微生物數據的訪問;通過公民科學、公眾參與,擴大微生物的影響力。

此次微生物研究計劃陣容強大:美國能源部、航空航天局、國立衛生研究院、美國國家科學基金會、農業部都公布了相應的研究方向。這些部門將壹起展開環境微生物的研究,構成NMI的研究系統。美國政府以往每年會投入3億美元花在微生物研究上,NMI計劃將會令這壹領域的經費增長1.21億美元。作為對白宮這壹舉措的回應,投資者以及科研機構會跟進4億美元的資助。

NMI計劃將給我們會帶來什麽?這是壹個很難回答的問題,如果將與人類相關的所有環境微生物和人體微生物都弄清楚,那麽這將是人類認識生命歷史上重要的事件之壹。同時研究工具以及手段的進步,將會提高微生物研究的效率。微生物本身是壹個巨大的知識庫,它將會在很大程度上改變我們對微生物、環境以及我們自身的態度。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。

事實上,除了NMI計劃外,目前美國和歐盟已啟動的大型人類微生物研究計劃還包括人類微生物組計劃(HMP)和MetaHIT。HMP計劃是由美國國立衛生研究院啟動,旨在收集跟人體相關的所有微生物,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計劃是由歐盟第七框架計劃(FP7)資助的子項目之壹,致力於建立人腸道微生物基因與人體健康和疾病的關系。

2011年,“地球微生物計劃”(Earth Microbiome Project)啟動,該計劃旨在通過對全球典型的環境樣本進行宏基因組測序,包括土壤、海洋、空氣、淡水等生態系統,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,科學狂人克雷格·文特爾(Craig Venter)可以說壹直走在時代的前沿,其創立的克雷格·文特爾研究所(J. Craig Venter Institute)早在2004年就發表了關於馬尾藻的基因組研究。目前,他的研究組已在全球收集了數千份海洋資源的樣本。

不可思議的微生物

微生物壹詞來自英文Microorganism,指生活在顯微尺寸下的生物,可以是單細胞或多細胞生物,包括:細菌、真菌、病毒以及壹些小型的原生動物等等。從1674年列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek) 發明顯微鏡開始,微生物逐漸被人們科學地認識,曾經有報道指出地球上存在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)的科學家在追尋宇宙微生物的存在。

 

不同的微生物種群

不同的微生物種群

微生物對人類的重要意義

微生物組(Microbiome)是指壹個特定環境中的微生物群,它們生活在壹定環境空間,相互影響並彼此平衡,從而形成了相對穩定的生態環境。微生物不僅能保持生態系統的健康功能,並且影響人類健康、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,如肥胖、糖尿病、哮喘等。它們在農業生產力、生物燃料的生產以及食品加工等領域也發揮重要作用。

事實上,人類對微生物最早的認識,可能是食用發酵變質後的食物引起中毒時的痛苦記憶。後來人類就開始學會使用酵母菌來發酵生產易於消化的食物,如面包、醋和酒類等。自200年前發酵工業興起之時,人們開始大規模使用工業微生物,其中著名的是酵母菌以及生產各種抗生素使用的工業菌。利用微生物生產阿片類藥物以及紫杉醇、青蒿素等藥物,也已不再新鮮。有科學家在研究通過微生物來生產人類需要的所有食物、藥品、消耗品等生活所需。目前,基於工業微生物的發酵工業產值已經超過4000億元,而且人類對工業微生物的需求還在擴大。

在人類曲折的歷史上,微生物也引發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,但我們也應看到,它們也可產生像青黴素這樣的抗生素。隨著科技的發展以及知識的更新,人們逐步利用微生物來生產疫苗、抗生素等,幫助人們戰勝傳染病。

腸道微生物是近些年的研究熱點,它們寄生在人類腸道中,數量是我們自身細胞的數倍。雖然人類很久以前就已了解到腸道微生物跟人類的關系密切,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聯,腸道菌群既可控制人類的情緒,還影響我們對食物的喜好。在人體免疫系統方面,研究者發現它們在免疫發展的過程中起到重要作用。微生物還與人體呼吸性疾病、衰老以及癌癥關系密切。在藥物使用方面,研究者也在關註腸道微生物與抗生素、免疫治療的關系。實際上,研究者已把腸道微生物作為用藥的對象來對待,腸道菌群儼然已是壹個不可忽視的器官。

研究雖迅速,但了解仍非常有限

顯微鏡的出現,讓人們可以觀察微生物的形態。隨著各種微生物培養技術的成熟,人們可以對微生物持續的觀察,並根據形態等特征進行分類。DNA測序和分子遺傳學的發展,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(Next Generation Sequencing,NGS)的出現則讓大量鑒定微生物成為可能。最近5年,微生物組的研究經常是頂級學術雜誌的常客,甚至每壹期的雜誌都有微生物群落的論文發表。

但對於地球上究竟有多少種微生物這壹基本問題,至今依然沒有人能給出具體的答案。不僅因為微生物的數量龐大,種類繁多,另壹方面,也是因為研究手段的缺乏,例如僅僅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。如果我們想理順它們的功能以及相互間的關系,那麽這壹問題則更為復雜,期待NMI計劃能夠讓我們窺探微生物更多的秘密。

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