多国科学家共同呼吁启动“国际微生物组研究计划”(IMI)

摘 要:

日前,多国科学家共同呼吁启动国际微生物组研究计划。微生物组的研究需要大量的合作,单个实验室虽然可以产生大量数据,但样本数有限、缺乏相应的计算工具、研究者的生物信息学分析能力也有限。如何能通过国际合作,把成千上万的单个实验室产生的数据进行整合和关联,把数据深入挖掘,认识更深刻和普遍的规律,是国际微生物组计划能否成功的标志。

关键词: ,

“想搞清楚微生物如何影响人和地球的健康,需要启动“国际微生物组研究计划”(International Microbiome Initiative,IMI),2015年10月29日的Nature周刊发表了德国、美国和中国的三位科学家的建议,他们分别是德国马普海洋研究所的Nicole Dubilier教授、美国夏威夷大学的Margaret McFall-Ngai教授和中国上海交通大学的赵立平教授。

那么,这个“国际微生物组研究计划”到底是什么呢?

多国科学家共同呼吁启动“国际微生物组研究计划”(IMI)

微生物在地球上无处不在。从美国黄石公园滚烫的热泉,到800米冰层以下的南极暗湖,都能发现微生物。可以说,地球微生物群落(即微生物组)在地球生物圈和人类健康中所起的作用完全超乎人们原来的想像,搞清楚这些微生物组的功能和作用,会极大地帮助人类克服目前遇到的种种环境、健康和社会危机。

正因为认识到了微生物对人类和地球的重要性,美国一批处在学科前沿的科学家提出联合微生物组计划(Unified Microbiome Initiative,UMI)。UMI将把美国国立卫生研究院、美国自然基金委、美国农业部、美国能源部、美国环境总署等政府部门和私立基金会以及企业界的力量动员和整合起来,开展对人体、植物、动物、土壤和海洋等几乎所有环境中微生物组的深入研究。这是美国在推出脑科学计划和精准医学计划以后,又一个举世瞩目的大科学计划。可以预计,随着美国UMI的推出,欧盟、中国、日本等国家和地区也会推出自己的微生物组计划参与竞争。

随着各国对微生物组研究的重视,会有大批经费投入,产生海量的数据。这对于搞微生物组研究的学者,当然是一件大好事。不过,各国的微生物组研究缺乏必要的协调,各用各的标准,各用各的方法,产生的数据就难以进行比较和整合,那将会是巨大的浪费。这种无序的状态,不利于全球协调一致去解决只有把全球的数据整合在一起才能揭示的问题和规律。例如,微生物组在地球气候变暖中的作用等等。

目前,一场微生物学革命正在蓬勃兴起

微生物学科是随着显微技术的发明而诞生。胡克发明了显微镜,并且第一个看到了真菌的孢子长什么样子。列文虎克用显微镜看用牙签从牙齿上刮下来的东西,发现有无数的“小动物”在游动。纯培养技术让科学家可以把自然界里的细菌养在实验室里,从而可以开展各种研究。科赫第一个发明纯培养技术,把炭疽芽孢杆菌培养出来,接种健康小鼠,结果证明炭疽芽孢杆菌是引起炭疽病的病原菌,从而创立了疾病的细菌传染学说,为人类控制传染病做出了巨大贡献。

但是,直到上个世纪八十年代末,微生物学家认识微生物的手段一直没有发生实质性的变化,基本原理都是靠显微镜观察和纯培养研究,与列文虎克、科赫的方法没有实质性差别。

微生物学家卡尔沃兹彻底改变了这种方式,他第一个用细菌的16S rRNA基因的序列对细菌进行亲缘关系的研究,结果发现,不同细菌的这个基因序列不太一样,亲缘关系越近的,这个基因的序列就越像。因为这个基因是所有细菌都有的,因此,用这个基因的序列可以把地球上所有细菌的“家谱”都做出来,做成了一个进化树,每个细菌是一个分支末端的一片树叶。

有人直接分析环境样品里面的16S rRNA基因的序列,结果发现了很多未知细菌的序列。几乎每次分析一个样本,都会发现很多与已知细菌的16S rRNA基因的序列差别很大的新细菌。通过对环境样品里的DNA进行测序,不仅让人们知道自然界原来有着那么多微生物,而且知道这些微生物对地球的健康和地球上的植物、动物乃至人类的健康都是至关重要的。

例如:存在于农作物、树木和其他植物内部和表面的微生物、以及这些植物生长的土壤里的微生物,为植物提供了氮、磷和其他许多重要的营养素。这些微生物还能降解污染物,抑制病原菌的活动。许多公司,比如孟山都(Monsanto),认识到土壤和植物共生微生物提高农业生产率的能力仍具有巨大的开发空间,正在投入成百万的美金用于该领域的研究和开发。

海洋微生物通过光合作用产生我们呼吸需要的50%的氧气,并从大气中清除了大致相同比例的二氧化碳。另外,海洋微生物还清除了全世界海洋中90%的甲烷。海洋中的细菌、古细菌病毒和真核微生物是地球上的初级生产者,它们可以把二氧化碳变成有机物为食物链的底层提供营养素,有些微生物可以参与有机物的再次矿化过程,还有的可以在海底沉积碳素。因此,微生物参与了地球的物质大循环,没有微生物,地球将是一片死寂。

通过分析人体表面和内部的微生物的基因组、转录组、蛋白质组和代谢组(这些组学分别对基因、RNA、蛋白质和代谢物进行分析),人类开始认识到微生物在维持人体健康中起到的关键作用。比如,组成复杂的肠道菌群能够帮助人体抵御疾病、为人体提供营养、甚至在出生之前就开始影响人体的发育。最近有研究发现,母亲肠道菌群产生的代谢物可以进入胎儿体内,从而影响胎儿的发育。而有益菌通过母亲的产道、乳汁和皮肤在新生儿出生后第一时间进入肠道,形成优势菌占领肠道,是保证一生健康的重要基础。有益菌通过母亲世世代代传递给孩子,成为在基因遗传之外,每个家族可以世代传递的最宝贵的健康财富。

国际微生物组计划(IMI)是全球化的解决办法

任何一项微生物组的研究都需要大量的合作,需要具备微生物或高等生物专业知识的基础和应用生物学家,需要能开发从海量测序数据中提取有用信息的方法的信息学家和数学家,作为细胞间通讯和和与环境互相影响的手段,微生物产生各种化合物,并与其它生物和非生物环境之间交换这些化合物,而化学家、物理学家和工程师可以开发检测和调控这些物质的新方法。

IMI可以召集所有这些学科的专家一起工作,使微生物组的研究从目前的了解“谁在里面”的阶段再前进一步,去回答“谁在干什么?和谁一起干的?怎么干的?”的问题。

单个实验室虽然可以产生不少数据,由于样本数有限和缺乏相应的计算工具和经验,而且研究者的生物信息学分析能力也有限,很难把自己的数据深入挖掘,发现规律。从这个意义上说,各个实验室也希望能有一个机制,既可以共享数据,还能够共享数据以后产生的知识产权。因此,如何把成千上万的单个实验室产生的数据进行整合和关联,发现影响全球的普遍性的规律,是“国际微生物组计划”能否成功的标志。

与单独一个国家所能产生的知识相比,IMI通过将全球科学家的数据汇总在一起,能够产生更多的知识,认识更深刻和普遍的规律。IMI可以推进来自不同研究所和国家的数据的整合。

科学家和给他们提供经费的政府机构都担心数据共享以后,别人把自己辛辛苦苦采集的数据拿去抢先发表论文和申报专利,如果这样,没法向纳税人交代。DNA序列数据本身是很难利用的,想解读这些序列数据的意义,需要有描述样本的特性的数据,也就是可以“解释数据的数据”,叫做“元数据”。想知道病人和健康人的肠道菌群的DNA序列的差别,就需要知道,哪些序列是病人样品来的,哪些是健康人样品的,否则,一大堆DNA数据很难利用。但是,对涉及到健康有关的元数据,各国都以涉及到病人隐私,知情同意书里不允许与第三方共享等办法来避免把元数据提交到公共数据库,以此来保护自己,避免出现自己的数据自己解读不了,结果被别人抢先发表和申报专利的尴尬局面的出现。

产权保护一直困扰着以前的各种计划和项目的数据共享问题。IMI可以对解析研究数据、发表论文和申请专利非常重要的元数据(metadata)加以整理,并控制对这些元数据的访问权,以此解决数据共享和知识产权保护纠纷,这是IMI不同于以往很多共享数据的努力的地方。

最重要的是,当科学家需要解决影响全球生态圈的问题时,IMI就是必不可少的了。虽然世界各地发生的微生物组参与的影响生物圈的事件并不相同,但是这些事件造成的影响却可以被全世界感受到。微生物组产生的温室气体,比如过度施肥的中国农田中反硝化细菌产生的氮氧化物、澳大利亚和新西兰成百万头瘤胃动物消化道中的古菌释放的甲烷,可能很大程度上促进了全球变暖。解决这些问题的办法还是要来自于各地自己的努力,但是,IMI对于保证国际科学界产生的数据具有可比性是必不可少的。

对于IMI应该如何设计、运行,目前还没有全部的答案。不过,建立国际微生物组研究计划的第一步应该是把全世界优秀的、能够引领微生物组研究方向的科学家聚集起来,讨论IMI的目标。

只要相关领域的研究群体都愿意开始并遵守规则,国际微生物组研究计划将比其他方法更能有效地促进研究的标准化和协调性。而且,如果能够借鉴研究海洋生物的项目“Census of Marine Life”那样,成立由来自生命科学各个领域的研究人员组成的工作组,IMI的研究范围比已有的任何一项研究项目都要广阔。

地球生物群落并没有国界线,揭示它的秘密需要全世界的努力。微生物组研究计划的成功,需要全世界生物学家、化学家、地质学家、数学家、物理学家、计算机专家以及临床专家的合作。(来源生物谷Bioon.com,细菌之家Bacteria.cn整理)

参考文献:

Dubilier N, McFall-Ngai M, Zhao L. Microbiology: Create a global microbiome effort. Nature. 2015,526(7575):631-634. doi: 10.1038/526631a.

    A+

除注明外,本站内容由 细菌之家 原创或整理,转载请注明出处及链接。

本文永久链接: http://www.bacteria.cn/html/2015/1563.html

  • 请您留言:专业水平所限,谬误之处在所难免。如您发现不正之处,请在下面留言,谢谢!

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen:

图片 表情