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刘双江:掌控人类幸福的重要因子

时间:2016-07-11 23:01来源:人民日报   作者:未知 阅读:

在地球生态系统和人类健康中,微生物组的作用超乎想象,加强基础研究与应用相结合,推进技术创新和产业升级,将创造未来新的经济增长点

我们认知的微生物不到1%

微生物对我们而言并不陌生。我们的祖先发明了酿造工艺,就是利用微生物的发酵功能,让我们的生活充满味道和更加丰富多彩。酱香醋滋润,酒醇豆腐香,都是微生物作用的结果。从传统酿造工艺到现代微生物发酵技术,我们自以为已经对微生物了解很多,比如我们知道了微生物是如何把糖变成了酒,又转化为醋。我们自以为还能够掌控微生物,比如我们能够操控和改造一些微生物产生特殊的代谢产物,提高其产量或者抑制其合成,为人类服务:例如,包括青霉素在内的、拯救了无数人生命的抗生素,通过改造生产菌种,使产量得到了成千上万倍的提高,惠及众生。

但事实上,我们对微生物了解很少,我们甚至不知道在我们周围有什么样的微生物。从花园里抓一撮土,有几千种微生物;地球上的微生物细胞,远比天上的星星多得多;我们目前认知的微生物,不到1%;生活在我们肠道中的微生物细胞,是人体细胞的10倍!这些微生物的基因组之和,是人类基因组的100倍!微生物影响着并超越我们的生老病死:有一天,人死了,微生物却能永恒生存。除了近年来少量的有关糖尿病等与肠道微生物的关系外,我们完全不清楚肠道微生物(还有呼吸道微生物、体表微生物等)在人体内做了什么,它们的喜怒哀愁与我们的生老病死是什么关系。

微生物组是指一个生态系统中全部微生物资源及生命信息,包括他们与其环境中生物和非生物因子之间的关系。早在1975年,科学家就用类似的概念来探讨白蚁肠道的微生物区系,但由于受当时的研究技术手段和对微生物认知的限制,没有形成重大的科学计划。2005年以来,世界许多国家先后不同程度上启动了微生物组计划或项目,如美国的人体微生物组计划和地球微生物组计划,加拿大的微生物组研究项目以及日本的人体元基因组研究项目等。2015年10月,美国一批科学家联合在《科学》杂志上发文,呼吁“联合微生物组研究计划”;与此同时,我国科学家会同美、德科学家,在《自然》上发文提出了实施“国际微生物组计划”的呼吁。美国日前宣布启动新的“国家微生物组计划”,引发了新一轮微生物研究和开发的热潮。

微生物组世界1+1>2

为什么微生物组能够引起国际上如此巨大反响和关注?1928年7月,科学家亚历山大—弗莱明正在凝视培养皿里的微生物菌落:一种菌落(青霉菌)抑制了另一种菌落(金黄色葡萄球菌)的生长,从此揭开了发现微生物合成抗生素的伟大时代。青霉素的发现,改变了第二次世界大战的进程,挽救了无数人的生命,并显著提高了人类普遍的寿命。一种微生物拯救了成千上万的个体生命,一群微生物能够拯救未来人类的生存。

地球上的微生物物种粗略估计在百万数量级之上,目前发现和描述的只有数万种,绝大多数微生物物种及其功能还有待挖掘和认知。微生物生活在海洋和陆地的每一寸空间,组成海洋微生物组和陆地微生物组,参与物质元素的生物地球化学循环,影响全球气候变化;微生物与农作物(根际、叶表、植物体内)在一起,构成农作物微生物组,影响作物营养吸收、病害发生和作物产量;微生物降解污染物,消除黑臭,保障污水处理厂高效运行,净化水体;微生物还是污染土壤生物修复的主力军,农药、化工污染物、除草剂等主要是通过微生物降解作用得到消除,环境微生物组将为实施生态文明建设、提高环境质量的国家目标,提供资源和技术的保障。

微生物组在地球生态系统和人类健康中的作用超乎想象,它不仅将极大地帮助人类克服当今所面临的生存挑战,还能提供人类未来生存之道,这其中有一个道理,就是微生物之间能够互相协作,使得它们在生态系统中更加稳定、更加有效发挥作用,并赋予微生物组(群)具有超越单个微生物的更为强大的功能。多环芳香烃是环境中重要的一类污染物,目前已经发现了能够降解多环芳香烃类化合物的微生物,一种微生物单独培养,可以降解多环芳香烃,但如果多个微生物在一起,其污染物的降解效率和微生物系统的稳定和适应能力都大大提高。

我国传统发酵工艺多利用混合微生物菌群,例如年产值超过5000多亿元的制酒行业,在长达数百年的历史过程中有益微生物群被不断富集,逐渐形成各种风格的白酒酿造技艺。尽管科学上还没有准确的解释,但业界共识是,不同微生物群落之间的相互作用是产生不同风格白酒的重要基础,酿酒微生物场所提供了多种多样的微生物资源,可以从中发掘高效纤维素降解霉菌、高乙醇合成酵母、高效一碳化合物固定细菌等。作为新兴产业的生物农药和生物肥料,近年来正在蓬勃发展,从生物农药近10年国际上的发展情况来看,市场份额由2000年0.2%增长到2009年的3.7%,2010年全球生物农药的产值超过20亿美元,市场占有率达到4%左右。深入解剖土壤和农作物微生物组,可以有效促进传统发酵行业和新兴生物产业的健康发展。

抓住弯道超车的机遇

截至2016年,有资料可查的国际上微生物组研究项目有13项与人类健康相关,其中8项正在实施,5项已经完成。美国、加拿大、爱尔兰和法国是这些项目的主要参与国家,其中至少有2项由美国独立开展,最早的一项人类微生物组计划(HMP)也是美国开展的。中国积极参与了人类肠道宏基因组计划(MetaHIT)和国际微生物组联盟(IHMC)计划这两项计划。

除了上述13个与人类健康直接相关的人体微生物组研究项目之外,国际上还启动了9个环境微生物组研究计划。这些环境微生物组研究计划中包括海洋微生物组、土壤微生物组和地球微生物组(EMP)。其中EMP计划旨在全方位分析地球上全部微生物群落的多样性及功能,该项目将对全球典型的环境样本包括土壤、海洋、空气、淡水生态系统等的微生物群落进行宏基因组测序,中国参与了EMP计划。中国科学家和有关机构曾独立推进和启动了与微生物组内容相关的研究计划。早在本世纪初,中国科学院微生物所有关专家就开始推动“微生物地球”研究计划;2014年,中国科学院组织并启动了土壤微生物相关的先导专项研究计划,目前,国家自然科学基金委“水圈微生物”研究计划正在论证之中。中国科学家已经在人体微生物组和酿造微生物组等方面,取得了很好的成绩。抓住机遇,做好组织,在未来新一轮微生物科技发展中,中国完全有可能发挥国际主导作用。

从微生物组的提出和国际科技竞争态势看,微生物组研究呈现四大趋势:应用导向更加明确,范围更加广泛,由先前的微生物资源调查和侧重人体微生物组正在向综合考虑健康、农业、生态环境等方向转变;更加注重技术发展和学科交叉汇聚;更加需要项目组织机制的创新;对大科学计划和全球化合作的重要性更加明显,为世界各国从科技和政治角度参与国际事务并发挥各自独特作用,提供了一个无限的舞台。

在当前的国际形势和国家需求下,启动我国独立自主的微生物组研究计划已经势在必行。如何立足我国的国情和研究基础,实现基础研究和应用研究有机结合,服务技术创新和产业升级联动发展,是我国进行微生物组计划组织和布局的重要选择依据。基于此,对发展我国微生物组有以下三点建议:

一、以我国在微生物资源的收集和保藏的优势、在研究和开发方面的良好基础,组织全国专家,进行战略研究,规划微生物组研发路线图,明确从微生物组研究入手,解决我国面临的人类健康、环境保护和农业可持续发展等重大挑战的技术途径,开展以应用为导向的微生物组资源和技术开发。

二、以人体肠道、四大口粮作物、污染水体和土壤治理、传统发酵等为核心对象,快速部署人体微生物组、农作物微生物组、环境微生物组和传统发酵微生物组的研究,加强基础和应用基础研究、技术创新和产业发展的全链条布局;依靠我国在微生物资源的研究、测序技术、微生物数据综合分析能力等方面的优势,启动涵盖人体、农业、环境、传统发酵、新技术等内容的“中国微生物组”计划。

三、建立国家微生物组数据中心,实现大数据集成与应用:数据资源是微生物组研究的关键,建议在微生物组计划设计之初,就设计好完善的数据集成和共享机制,建立国家微生物组数据中心,实现数据资源的有效集成和深度挖掘。

微生物在地球上无处不在,从滚烫的热泉到800米冰层以下的南极暗湖,都存在着大量的微生物。微生物作为地球上分布最为广泛、生物量最大、生物多样性最为丰富的生命形式,推动地球化学物质循环,影响人类健康乃至地球的整个生态系统,且蕴藏着极为丰富的物种资源和基因资源。我们期待着微生物组能够打开未知微生物世界的大门,为应对当今人类面临的巨大挑战,如人类健康、环境保护、农业可持续发展等,以及解决深空探索和外星移民等未来人类生存空间问题,提供重要的解决方案。

 

(责任编辑:泉水)
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