地球上所有環(huán)境中的基本功能是由分布在地球上各個角落的微生物群體的系統(tǒng)性活動來推動的，微生物群落提供的生態(tài)系統(tǒng)服務是區(qū)域和全球可持續(xù)發(fā)展的最基本物質基礎。基于系統(tǒng)科學理論，發(fā)展針對人類健康、環(huán)境、生態(tài)、氣候等全球性挑戰(zhàn)性問題的新一代微生物組科技，順應科技和人類社會發(fā)展規(guī)律，將推動知識、技術與社會的深度融合，引發(fā)新一輪產業(yè)變革，驅動科技治理向縱深發(fā)展，進而帶動全球經濟治理和社會治理的協(xié)同進步。
微生物組科技必將引發(fā)新一輪產業(yè)變革
從科學發(fā)展角度來看，為揭示生命奧秘和生態(tài)圈運動規(guī)律，已經到了必須從系統(tǒng)科學理論的基本觀念出發(fā)，搞清楚微生物群體活動的微觀機制與宏觀生命現(xiàn)象聯(lián)系的時候。從技術驅動看，已經開展的各類微生物組學科技項目已經促進核心技術演化到關鍵階段，證明系統(tǒng)科學理論提倡的“自上而下”和“自下而上”研究方式在研究微生物群落等復雜生物體系方面具有巨大潛力。
從應用需求看，微生物組具有重大的產業(yè)價值和生態(tài)價值。已證明，動植物體內、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。搞清楚微生物組的功能和作用，對目前人類遇到的健康、農業(yè)和環(huán)境等領域全局性問題，將提供一種新的具有全局性視角的技術解決方案，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濟社會效益。
美國部署微生物組科技的相關考慮
作為科技強國，美國發(fā)展微生物組科技不遺余力。目前美國微生物組科技的國家級重大計劃已經醞釀成熟，即將擇機發(fā)布。其主要考慮因素有以下幾方面。
微生物組科技迫切需要政府“臨門一腳”精準發(fā)力的支持，這關系政府推動創(chuàng)新職能的精細定位。微生物組科技發(fā)展當前面臨共性挑戰(zhàn)和實際操作瓶頸問題，如統(tǒng)一標準、數(shù)據(jù)整合、資源共享等。對這些共性挑戰(zhàn)進行集中、整合性突破，將加速微生物科技發(fā)展進入新階段。
微生物組科技有利于延伸生物經濟的產業(yè)鏈條。發(fā)展微生物組研究，有利于發(fā)揮美國在高通量測序和生物信息技術領域核心優(yōu)勢。更重要的是，微生物組科技的應用方向是高端制造業(yè)、健康服務業(yè)、生態(tài)和環(huán)境修復領域等，這將全面延伸生物經濟的產業(yè)鏈條，將生物經濟從主要圍繞人類社會基本物質利益需求的1.0版本升級到圍繞人類社會可持續(xù)發(fā)展的2.0版本。
從更廣泛應用范圍看，發(fā)展微生物組科技，有利于提升在可持續(xù)發(fā)展領域的綜合優(yōu)勢，事關“奪回”全球氣候變化的主導性話語權和未來發(fā)展制高點。新時期，美國政府號稱要繼續(xù)“領導”世界一百年，而作為潛在的可持續(xù)發(fā)展工具載體之一，微生物組科技將有助于重塑其在可持續(xù)發(fā)展領域的綜合優(yōu)勢。更有論斷指出，未來人類走出地球，“殖民”外太空，需要用微生物群落來構建新的適合人類居住的生物圈。對這種可以影響乃至主導人類社會未來命運的新機遇，美國科技精英自然也不會等閑視之。
微生物組科技的應用將可能產生新一代生物武器、地球工程學工具。微生物組科技的深入發(fā)展，將揭示出各類復雜、極端環(huán)境下的特異生命現(xiàn)象，新的發(fā)現(xiàn)可以用來改造生物圈，也可以用來改造地球圈、大氣圈，通過精巧設計，也有可能引發(fā)產生新一代的生物武器或地球工程學工具、生物氣象工具，這類武器或工具其功能形式更加新奇，運用方式更加隱蔽和更加出乎意料，具有“精確制導”的特定效果，或具有更具破壞性、全球性的影響。可以預測，如果未來微生物組科技的進步與氣象武器實現(xiàn)本質性的交叉融合，新一代生物氣象武器將在未來戰(zhàn)爭中發(fā)揮巨大的作用。
微生物科技推動全球科技治理向縱深發(fā)展
需要注意到，包括美國在內的發(fā)達國家大力推進微生物組科技的發(fā)展，雖然為應對健康、氣候變化等全球性問題提供了一種新的潛在解決方案，但是，也可以預計，在其研發(fā)應用中，將不可避免的觸及幾個核心挑戰(zhàn)，亟需創(chuàng)新科技發(fā)展理念。新的發(fā)展形勢，也為后發(fā)國家的“彎道超車”和參與推動全球科技治理，打開了新的機遇窗口。
應對科技研發(fā)應用與組織管理碎片化模式挑戰(zhàn)，需要堅持創(chuàng)新發(fā)展和共享發(fā)展的發(fā)展理念，從源頭推進科技治理創(chuàng)新。新型科技項目的組織，需要由先前的基礎研究機制轉向目標導向的集成性研究機制，需要加強數(shù)據(jù)共享和開放創(chuàng)新，并在各類利益相關人員與組織機構之間開展各種層次的合作和資源整合，真正實現(xiàn)跨學科、跨領域的會聚型研究。
應對科技應用的公共管理方法滯后挑戰(zhàn)，需要堅持協(xié)調發(fā)展的理念，深化創(chuàng)新管理和公共管理，推進科技經濟社會的同步發(fā)力、共同受益。微生物組科技的深入發(fā)展，必然而且已經開始滲透并應用到經濟、社會、環(huán)境改造等人類社會的多個方面，原有的醫(yī)藥產品監(jiān)管模式、農產品監(jiān)管模式、污染修復監(jiān)管模式等都可能不再完全適用，而需要建立新技術新產品新應用模式的準入管理機制。
跳出“一枝獨秀”的幻想和“獨木難支”的困境，需要運用開放發(fā)展的理念，形成微生物組科技研發(fā)應用國際合作共識。目前，個別強國，還難以、也不可能單獨依賴微生物組科技來應對全球性挑戰(zhàn)。而后發(fā)國家依托特定資源優(yōu)勢和技術路線，特別是發(fā)展中國家在健康、農業(yè)、環(huán)境、氣候變化領域具有更強烈的發(fā)展需求，采取“非對稱”趕超戰(zhàn)略，也有可能在特定領域主導國際合作。
避免技術的濫用和誤用新歧途，需要堅守綠色發(fā)展的理念，加強科技與社會的對話，消除技術的社會風險因素和潛在不良后果。毋庸置疑，基于微生物組科技的新一代地球工程學工具的不合理利用或誤用，很有可能會對地區(qū)乃至全球的生態(tài)氣候造成極大影響。對此，國際社會需要有清醒的認識，推動相關各方在各類區(qū)域性、全球性協(xié)調框架的有效對話協(xié)商，避免因新技術誘發(fā)的新的全球性失衡。
【盤點】微生物組研究進展一覽
微生物組是微生物群落里所有基因組信息的總和，它決定著一個群落能夠執(zhí)行怎樣的功能。深入研究和解析微生物組的信息總量、分布特征和表達規(guī)律，是解決當前能源、農業(yè)、醫(yī)療等領域中諸多難題的關鍵，具有不可估量的經濟和社會效益。
當前的微生物學研究如同‘盲人摸象’，由于各國的研究方法和標準不統(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。
具有獨特生理代謝優(yōu)勢的微生物，在解決地球各類危機中所起到的作用已完全超乎我們的想象——從污水處理到氣候變暖，人類如今所面臨的能源短缺、環(huán)境污染、糧食安全、疾病流行等幾乎所有問題的背后，都少不了微生物的參與。
如何通過微生物組研究化解危機？日前，中、美、德三國科學家在《自然》雜志上發(fā)文呼吁，要想搞清楚微生物如何影響人和地球的健康，需要全球科學界集結一支多學科背景的國際研究隊伍，啟動“國際微生物組計劃（IMI）”。
本文中小編盤點了微生物組研究的相關進展。
【1】Cell Host Microbe：腸道細胞利用microRNAs控制微生物組
物學前沿之一就是談論操縱我們的腸道微生物組（microbiome）。這聽起來像一個大膽的想法，但它看起來像是我們可能一直就在修改我們的微生物組，甚至都沒有意識到這一點。一篇新的來自美國哈佛大學醫(yī)學院的Howard Weiner、Shirong Liu及其研究團隊的論文提示著我們的腸道細胞早就知道如何利用miRNAs（microRNAs，微小核糖核酸）控制我們體內的細菌。
我們知道糞便中的miRNAs可作為疾病的生物標志物。為了觀察正常條件下miRNAs是否存在于糞便中，研究人員獲取人和小鼠糞便樣品，在這兩種樣品中發(fā)現(xiàn)了大量的miRNAs：（1）在腸道的不同部分，miRNAs譜是不同的；整體而言，回腸中的miRNAs要比結腸中的多；（2）無菌的或者接受抗生素治療的小鼠具有更多的miRNAs存在于糞便中，但是患有葡聚糖酸鈉（DSS）誘導的結腸炎的小鼠因這種疾病殺死腸上皮細胞而具有更少的miRNAs存在于糞便中。
【2】風險！微生物組可能泄露個人隱私
研究人員發(fā)現(xiàn)，通過寄居人體的微生物集成DNA，能夠特異性地識別出個人的身份，這就產生了個人隱私問題。
這項發(fā)現(xiàn)刊登于5月11日的《美國國家科學院期刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。文章指出，在一項匿名試驗研究中，通過寄生于人體的微生物（即其微生物組），很有可能識別出個人身份，從而泄露某人的健康狀況、飲食以及種族等細節(jié)信息。無獨有偶，4月29日發(fā)表于《基因組研究》（Genome Research）的一項研究也聲稱，在由NIH維護的公開性微生物組DNA數(shù)據(jù)中，也含有具備潛在辨識性的人類DNA。
當然，兩篇論文均未依據(jù)微生物組的信息披露出受試者的姓名——估計目前這么做也會很困難——但他們有提出，這種具有引導性的微生物組研究應該得到備案。
【3】Cell：人體微生物組是一個巨大的天然“藥物分子庫”
近日，發(fā)表在國際著名雜志Cell上的一篇研究論文中，來自加利福尼亞大學的研究人員通過研究發(fā)現(xiàn)人類機體中的細菌或許可以幫助我們制造出成千上萬種分子，比如藥物分子等，這些細菌或可以幫助科學家們開發(fā)治療許多人類疾病的靶向療法。
文章中，研究人員純化了一種名為lactocillin的新型抗生素并對其結構進行了解析，這種抗生素就是由加氏乳桿菌產生的，而加氏乳桿菌是生活在女性陰道中的一種細菌，在女性陰道中其可以分泌產生lactocillin，以此來殺滅陰道中的致病菌。Michael Fischbach教授表示，人類機體中的細菌對于開發(fā)新型藥物分子非常重要，對于維持人類健康更重要。我們常常認為使用的藥物都是由藥物公司合成的，其實并不總是這樣，人類機體的微生物群或許也是一個原始的天然“藥廠”。
【4】The Scientist：肺部微生物組決定你的健康
相比于腸道微生物組，肺部微生物組研究落后了10到15年。近年來，科學家發(fā)現(xiàn)，肺部微生物組對呼吸道健康起著重要作用，肺部微生物組研究也逐漸受到了科學家們的重視。
近年來，肺部微生物組對呼吸道健康的重要性逐漸受到了科學家們的重視。The Scientist雜志特別撰文介紹了這一領域的最新進展。
如果將人類的消化系統(tǒng)看作是從口腔延伸至胃和腸道的一條河流，那么肺就是河流旁的湖泊，常常被湍急的水流波及，密歇根大學的Gary Huffnagle說。Huffnagle研究肺部菌群已經有十年了，“持續(xù)有來自于口腔的細菌流入肺部，”他說。但肺也可以通過纖毛活動和咳嗽將細菌向外排出，這使肺部的微生物組成為一個動態(tài)的社群?！?/P>
【5】Nature：人類微生物組計劃揭示機體微生物群落之間的關聯(lián)及動力學特性
近日，刊登在國際著名雜志Nature上的一篇研究論文中，來自美國密歇根大學的研究人員通過研究闡明，在健康人機體中不同類別的細菌也會發(fā)生多樣性的變異；研究者Patrick D. Schloss表示，理解微生物群體的多樣性以及單一類型細菌“變型”的機制將幫助我們更好的利用這些微生物群體來估測人類疾病發(fā)生的風險以及開發(fā)新型個體化療法。
研究者表示，基于個體口腔的細菌群落數(shù)據(jù)就可以預測該個體胃腸道中的細菌群落類型，而且在機體兩個不同位置的細菌類型也完全不同?？茖W家們開展人類微生物組計劃就是理解人類機體微生物群落的改變和健康改變之間的關聯(lián)。
該計劃中超過200名科學家花費了5年時間對來自300個健康成年個體的樣本進行分析，這些樣本來自于個體機體中的28個不同位置，包括口腔、鼻子、腸道、耳朵以及肘部等。研究者對這些樣本進行研究來揭示是否以母乳喂養(yǎng)的個體和腸道微生物的不同類型相關等。
【6】Nature：腸道—微生物組—腦連接
在人類病人和小鼠中進行的研究表明，腸道微生物失衡會影響各種社會、情感和焦慮樣行為。有趣的是，腸胃（GI）問題在孤獨癥譜系障礙（ASD）中很常見，后者是社交缺乏和刻板行為有關。發(fā)表在《細胞》雜志上的一項研究提供了證據(jù)，表明共生的腸道細菌的改變在ASD的小鼠模型中導致某些行為異常，強調了益生菌治療在此類疾病中的潛在好處。
Hsiao等人研究了母系免疫活化（MIA）小鼠模型的后代，它們被用來調查母系感染與ASD之間的聯(lián)系。MIA后代表現(xiàn)出了一些讓人聯(lián)想起ASD的行為和神經病理學特征，并且作者發(fā)現(xiàn)，在3周大時，這些小鼠也表現(xiàn)出了腸道通透性的增加，以及反常的腸細胞因子分布，其特征為高水平的炎癥標志物白介素-6。
【7】J Natl Cancer Inst.：腸道微生物組降低與結腸癌有關
近期發(fā)表在Journal of the National Cancer Institute上的文章稱，人類腸道微生物多樣性降低與結腸癌相關。
在腸道微生物與結腸癌相關性問題上，基礎研究與流行病學研究結論向左。所以該問題還沒有一個很明確的結論。
紐約大學公共衛(wèi)生學院的Jiyoung Ahn博士收集了47位結腸癌病人和94位性別，身高體重指數(shù)都與病人相吻合的正常人的排泄物，并從中提取了DNA。接下來科學家對所有的DNA進行測序，確定病人組和對照組的腸道菌群的基因組。結果發(fā)現(xiàn)結腸癌患者體內的微生物種類減少。
科學家進一步分析了結腸癌患者的腸道菌群種類。發(fā)現(xiàn)梭狀芽胞桿菌種類減少，而梭狀芽胞桿菌能夠將食用纖維降解為丁酸鹽，丁酸鹽或能預防結腸癌變和炎癥反應。同時梭菌屬和卟啉單胞菌屬細菌增加，這類細菌與口腔和消化道炎癥相關。
【8】前途未卜的國際人類微生物組計劃
每個人體內都攜帶了數(shù)十億個細菌，它們寄居在我們的內臟、皮膚、嘴巴和鼻子，以及我們的生殖系統(tǒng)中?？茖W家將其稱為微生物組，并且在過去的幾年中，“國際人類微生物組聯(lián)盟”開展了緊鑼密鼓的研究，目的便是搞清它們在疾病和健康中扮演的至關重要的角色。
然而啟動該領域研究的兩個關鍵項目如今即將宣告結束，但是后續(xù)的工作尚未落實到位。并且也不清楚企業(yè)界、政府管理者或者公眾是否已經準備好將對微生物的認識帶入臨床研究。隨著有650人參與的由國際人類微生物組聯(lián)盟發(fā)起的第三屆年會于本周在巴黎舉行，這一切都成為了新聞。該聯(lián)盟的成員包括美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）、歐洲委員會（EC），以及來自法國、日本、加拿大和其他國家的主要健康與科學機構。NIH和EC的微生物組項目——這兩家機構在過去的5年中分別提供了1.4億美元和2700萬美元的資金——如今正處于它們的夕陽階段，而公眾正在等待著來自大西洋兩岸的有關未來資金動向的消息。
【9】從專利和商業(yè)化角度評述微生物組研發(fā)興起
這是微生物組研發(fā)進展系列的第一部分。通過這個系列，我們的目的在于讓讀者了解這個重要的日益增長領域的發(fā)展情況以及可能的話，突出強調一下美國康涅狄格州在這種研究中所發(fā)揮的促進角色。這一部分將提供這個技術領域的簡短概述，重點突出知名的制藥企業(yè)和研究實驗室。未來的部分將討論將微生物組研究成果進行商業(yè)化取得的進展、評述一下新的微生物組相關的專利，同時探討一下微生物組研發(fā)存在的法律和政策問題。
微生物組研究旨在描述生活在不同環(huán)境中的微生物。盡管這些環(huán)境的概念比較廣泛，可以是陸地環(huán)境、地球外水環(huán)境和生物學環(huán)境，但是我們經常特定地使用微生物組這個術語來描述生活在人體內部和不同表面位點上的細菌。微生物組的含義可以是這些微生物本身，此時也被稱作微生物群(microbiota)，也可以是它們的宏基因組。在人體內最富含細菌的器官---腸道內，它們的基因數(shù)量遠遠超過人基因組中的基因數(shù)量，是后者的100倍，從而為藥物干預提供有吸引力的備選方案。炎癥性腸病(inflammatory bowel disease)、兒童期發(fā)作的哮喘、糖尿病、肥胖、心血管疾病、結直腸癌、抗生素相關性腹瀉就是一些涉及腸道微生物組組成變化或功能喪失的疾病。
【10】是該搞一個《國際微生物組計劃》了
“想搞清楚微生物如何影響人和地球的健康，需要啟動一個《國際微生物組計劃》”2015年10月29日的《自然》周刊刊登了德國、美國和中國的三位科學家的建議，他們分別是德國馬普海洋研究所的 Nicole Dubilier教授、美國夏威夷大學的Margaret McFall-Ngai教授和中國上海交通大學的趙立平教授。
既然老趙摻和了這事，就讓老趙盡量用大白話給大伙說說我們這個《國際微生物組計劃》的建議到底想干什么吧。下面就對這份建議的主要內容做些翻譯和解讀：
首先，微生物在地球上無處不在。從美國懷俄明州黃石公園滾燙的熱泉里，到 800米冰層以下的南極暗湖里，只要去找，都能發(fā)現(xiàn)有微生物活動。現(xiàn)在的人類可以說面臨著前所未有的各種挑戰(zhàn)，有化石能源枯竭危機，有傳染病和慢性病對健康的威脅，有農業(yè)歉收帶來的糧食短缺等等。毫不夸張地說，地球微生物群落（有個時髦的新名字叫微生物組）在地球生物圈和人類健康中起到的作用完全超乎我們原來的想像，搞清楚這些微生物組的功能和作用，會極大地幫助人類克服目前遇到的種種環(huán)境、健康和社會危機。