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(wù)是區(qū)域和全球可持續(xù)發(fā)展的最基本物質(zhì)基礎(chǔ)?；谙到y(tǒng)科學(xué)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(yīng)科技和人類社會發(fā)展規(guī)律，將推動知識、技術(shù)與社會的深度融合，引發(fā)新一輪產(chǎn)業(yè)變革，驅(qū)動科技治理向縱深發(fā)展，進(jìn)而帶動全球經(jīng)濟(jì)治理和社會治理的協(xié)同進(jìn)步。

    微生物組科技必將引發(fā)新一輪產(chǎn)業(yè)變革

    從科學(xué)發(fā)展角度來看，為揭示生命奧秘和生態(tài)圈運(yùn)動規(guī)律，已經(jīng)到了必須從系統(tǒng)科學(xué)理論的基本觀念出發(fā)，搞清楚微生物群體活動的微觀機(jī)制與宏觀生命現(xiàn)象聯(lián)系的時候。從技術(shù)驅(qū)動看，已經(jīng)開展的各類微生物組學(xué)科技項(xiàng)目已經(jīng)促進(jìn)核心技術(shù)演化到關(guān)鍵階段，證明系統(tǒng)科學(xué)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(fù)雜生物體系方面具有巨大潛力。

    從應(yīng)用需求看，微生物組具有重大的產(chǎn)業(yè)價值和生態(tài)價值。已證明，動植物體內(nèi)、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(guān)。搞清楚微生物組的功能和作用，對目前人類遇到的健康、農(nóng)業(yè)和環(huán)境等領(lǐng)域全局性問題，將提供一種新的具有全局性視角的技術(shù)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(jīng)濟(jì)社會效益。

    美國部署微生物組科技的相關(guān)考慮

    作為科技強(qiáng)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(jì)劃已經(jīng)醞釀成熟，即將擇機(jī)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(zhǔn)發(fā)力的支持，這關(guān)系政府推動創(chuàng)新職能的精細(xì)定位。微生物組科技發(fā)展當(dāng)前面臨共性挑戰(zhàn)和實(shí)際操作瓶頸問題，如統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)整合、資源共享等。對這些共性挑戰(zhàn)進(jìn)行集中、整合性突破，將加速微生物科技發(fā)展進(jìn)入新階段。

    微生物組科技有利于延伸生物經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)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(shù)領(lǐng)域核心優(yōu)勢。更重要的是，微生物組科技的應(yīng)用方向是高端制造業(yè)、健康服務(wù)業(yè)、生態(tài)和環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域等，這將全面延伸生物經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)業(yè)鏈條，將生物經(jīng)濟(jì)從主要圍繞人類社會基本物質(zhì)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(yīng)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(lǐng)域的綜合優(yōu)勢，事關(guān)“奪回”全球氣候變化的主導(dǎo)性話語權(quán)和未來發(fā)展制高點(diǎn)。新時期，美國政府號稱要繼續(xù)“領(lǐng)導(dǎo)”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(lǐng)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(gòu)建新的適合人類居住的生物圈。對這種可以影響乃至主導(dǎo)人類社會未來命運(yùn)的新機(jī)遇，美國科技精英自然也不會等閑視之。

    微生物組科技的應(yīng)用將可能產(chǎn)生新一代生物武器、地球工程學(xué)工具。微生物組科技的深入發(fā)展，將揭示出各類復(fù)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(shè)計(jì)，也有可能引發(fā)產(chǎn)生新一代的生物武器或地球工程學(xué)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(yùn)用方式更加隱蔽和更加出乎意料，具有“精確制導(dǎo)”的特定效果，或具有更具破壞性、全球性的影響?？梢灶A(yù)測，如果未來微生物組科技的進(jìn)步與氣象武器實(shí)現(xiàn)本質(zhì)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(nèi)的發(fā)達(dá)國家大力推進(jìn)微生物組科技的發(fā)展，雖然為應(yīng)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(yù)計(jì)，在其研發(fā)應(yīng)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(jī)遇窗口。

    應(yīng)對科技研發(fā)應(yīng)用與組織管理碎片化模式挑戰(zhàn)，需要堅(jiān)持創(chuàng)新發(fā)展和共享發(fā)展的發(fā)展理念，從源頭推進(jìn)科技治理創(chuàng)新。新型科技項(xiàng)目的組織，需要由先前的基礎(chǔ)研究機(jī)制轉(zhuǎn)向目標(biāo)導(dǎo)向的集成性研究機(jī)制，需要加強(qiáng)數(shù)據(jù)共享和開放創(chuàng)新，并在各類利益相關(guān)人員與組織機(jī)構(gòu)之間開展各種層次的合作和資源整合，真正實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的會聚型研究。

    應(yīng)對科技應(yīng)用的公共管理方法滯后挑戰(zhàn)，需要堅(jiān)持協(xié)調(diào)發(fā)展的理念，深化創(chuàng)新管理和公共管理，推進(jìn)科技經(jīng)濟(jì)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(jīng)開始滲透并應(yīng)用到經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境改造等人類社會的多個方面，原有的醫(yī)藥產(chǎn)品監(jiān)管模式、農(nóng)產(chǎn)品監(jiān)管模式、污染修復(fù)監(jiān)管模式等都可能不再完全適用，而需要建立新技術(shù)新產(chǎn)品新應(yīng)用模式的準(zhǔn)入管理機(jī)制。

    跳出“一枝獨(dú)秀”的幻想和“獨(dú)木難支”的困境，需要運(yùn)用開放發(fā)展的理念，形成微生物組科技研發(fā)應(yīng)用國際合作共識。目前，個別強(qiáng)國，還難以、也不可能單獨(dú)依賴微生物組科技來應(yīng)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(shù)路線，特別是發(fā)展中國家在健康、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、氣候變化領(lǐng)域具有更強(qiáng)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(lǐng)域主導(dǎo)國際合作。

    避免技術(shù)的濫用和誤用新歧途，需要堅(jiān)守綠色發(fā)展的理念，加強(qiáng)科技與社會的對話，消除技術(shù)的社會風(fēng)險(xiǎn)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(xué)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(rèn)識，推動相關(guān)各方在各類區(qū)域性、全球性協(xié)調(diào)框架的有效對話協(xié)商，避免因新技術(shù)誘發(fā)的新的全球性失衡。

    【盤點(diǎn)】微生物組研究進(jìn)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(dá)規(guī)律，是解決當(dāng)前能源、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域中諸多難題的關(guān)鍵，具有不可估量的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

    當(dāng)前的微生物學(xué)研究如同‘盲人摸象’，由于各國的研究方法和標(biāo)準(zhǔn)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(fèi)。

    具有獨(dú)特生理代謝優(yōu)勢的微生物，在解決地球各類危機(jī)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(jī)？日前，中、美、德三國科學(xué)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(xué)界集結(jié)一支多學(xué)科背景的國際研究隊(duì)伍，啟動“國際微生物組計(jì)劃（IMI）”。

    本文中小編盤點(diǎn)了微生物組研究的相關(guān)進(jìn)展。

    【1】Cell Host Microbe：腸道細(xì)胞利用microRNAs控制微生物組

    物學(xué)前沿之一就是談?wù)摬倏v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(diǎn)。一篇新的來自美國哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Howard Weiner、Shirong Liu及其研究團(tuán)隊(duì)的論文提示著我們的腸道細(xì)胞早就知道如何利用miRNAs（microRNAs，微小核糖核酸）控制我們體內(nèi)的細(xì)菌。

    我們知道糞便中的miRNAs可作為疾病的生物標(biāo)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(jié)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(dǎo)的結(jié)腸炎的小鼠因這種疾病殺死腸上皮細(xì)胞而具有更少的miRNAs存在于糞便中。

    【2】風(fēng)險(xiǎn)！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(chǎn)生了個人隱私問題。

    這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)刊登于5月11日的《美國國家科學(xué)院期刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。文章指出，在一項(xiàng)匿名試驗(yàn)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(xì)節(jié)信息。無獨(dú)有偶，4月29日發(fā)表于《基因組研究》（Genome Research）的一項(xiàng)研究也聲稱，在由NIH維護(hù)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(dāng)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(jì)目前這么做也會很困難——但他們有提出，這種具有引導(dǎo)性的微生物組研究應(yīng)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(xué)的研究人員通過研究發(fā)現(xiàn)人類機(jī)體中的細(xì)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(xì)菌或可以幫助科學(xué)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了解析，這種抗生素就是由加氏乳桿菌產(chǎn)生的，而加氏乳桿菌是生活在女性陰道中的一種細(xì)菌，在女性陰道中其可以分泌產(chǎn)生lactocillin，以此來殺滅陰道中的致病菌。Michael Fischbach教授表示，人類機(jī)體中的細(xì)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(rèn)為使用的藥物都是由藥物公司合成的，其實(shí)并不總是這樣，人類機(jī)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(xué)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(xué)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(xué)家們的重視。The Scientist雜志特別撰文介紹了這一領(lǐng)域的最新進(jìn)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(xué)的Gary Huffnagle說。Huffnagle研究肺部菌群已經(jīng)有十年了，“持續(xù)有來自于口腔的細(xì)菌流入肺部，”他說。但肺也可以通過纖毛活動和咳嗽將細(xì)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(jì)劃揭示機(jī)體微生物群落之間的關(guān)聯(lián)及動力學(xué)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(xué)的研究人員通過研究闡明，在健康人機(jī)體中不同類別的細(xì)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(xì)菌“變型”的機(jī)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(fēng)險(xiǎn)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(xì)菌群落數(shù)據(jù)就可以預(yù)測該個體胃腸道中的細(xì)菌群落類型，而且在機(jī)體兩個不同位置的細(xì)菌類型也完全不同?？茖W(xué)家們開展人類微生物組計(jì)劃就是理解人類機(jī)體微生物群落的改變和健康改變之間的關(guān)聯(lián)。

    該計(jì)劃中超過200名科學(xué)家花費(fèi)了5年時間對來自300個健康成年個體的樣本進(jìn)行分析，這些樣本來自于個體機(jī)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(jìn)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(guān)等。

    【6】Nature：腸道—微生物組—腦連接

    在人類病人和小鼠中進(jìn)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(dú)癥譜系障礙（ASD）中很常見，后者是社交缺乏和刻板行為有關(guān)。發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上的一項(xiàng)研究提供了證據(jù)，表明共生的腸道細(xì)菌的改變在ASD的小鼠模型中導(dǎo)致某些行為異常，強(qiáng)調(diào)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(diào)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(jīng)病理學(xué)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(xì)胞因子分布，其特征為高水平的炎癥標(biāo)志物白介素-6。

    【7】J Natl Cancer Inst.：腸道微生物組降低與結(jié)腸癌有關(guān)

    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(jié)腸癌相關(guān)。

    在腸道微生物與結(jié)腸癌相關(guān)性問題上，基礎(chǔ)研究與流行病學(xué)研究結(jié)論向左。所以該問題還沒有一個很明確的結(jié)論。

    紐約大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院的Jiyoung Ahn博士收集了47位結(jié)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(xué)家對所有的DNA進(jìn)行測序，確定病人組和對照組的腸道菌群的基因組。結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌患者體內(nèi)的微生物種類減少。

    科學(xué)家進(jìn)一步分析了結(jié)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?qū)⑹秤美w維降解為丁酸鹽，丁酸鹽或能預(yù)防結(jié)腸癌變和炎癥反應(yīng)。同時梭菌屬和卟啉單胞菌屬細(xì)菌增加，這類細(xì)菌與口腔和消化道炎癥相關(guān)。

    【8】前途未卜的國際人類微生物組計(jì)劃

    每個人體內(nèi)都攜帶了數(shù)十億個細(xì)菌，它們寄居在我們的內(nèi)臟、皮膚、嘴巴和鼻子，以及我們的生殖系統(tǒng)中?？茖W(xué)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(guān)重要的角色。

    然而啟動該領(lǐng)域研究的兩個關(guān)鍵項(xiàng)目如今即將宣告結(jié)束，但是后續(xù)的工作尚未落實(shí)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(jīng)準(zhǔn)備好將對微生物的認(rèn)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(xué)機(jī)構(gòu)。NIH和EC的微生物組項(xiàng)目——這兩家機(jī)構(gòu)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(guān)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(jìn)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(lǐng)域的發(fā)展情況以及可能的話，突出強(qiáng)調(diào)一下美國康涅狄格州在這種研究中所發(fā)揮的促進(jìn)角色。這一部分將提供這個技術(shù)領(lǐng)域的簡短概述，重點(diǎn)突出知名的制藥企業(yè)和研究實(shí)驗(yàn)室。未來的部分將討論將微生物組研究成果進(jìn)行商業(yè)化取得的進(jìn)展、評述一下新的微生物組相關(guān)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(xué)環(huán)境，但是我們經(jīng)常特定地使用微生物組這個術(shù)語來描述生活在人體內(nèi)部和不同表面位點(diǎn)上的細(xì)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(nèi)最富含細(xì)菌的器官---腸道內(nèi)，它們的基因數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yù)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(jié)直腸癌、抗生素相關(guān)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(jì)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(jì)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(xué)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(xué)的Margaret McFall-Ngai教授和中國上海交通大學(xué)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(jì)劃》的建議到底想干什么吧。下面就對這份建議的主要內(nèi)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?，F(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(jī)，有傳染病和慢性病對健康的威脅，有農(nóng)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(jī)。