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伍，啟動“國際微生物組計劃（IMI）”。

    這三位科學(xué)家分別是德國馬普海洋研究所教授尼克爾-杜比利艾、美國夏威夷大學(xué)教授瑪格麗特-麥克福爾-蓋恩和中國上海交通大學(xué)教授趙立平。

    趙立平日前在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時指出，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)。只有將全球數(shù)據(jù)整合在一起，才能真正解開地球微生物群落的更多秘密。

    “碎片化”亟待破題

    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。

    正是意識到這一點(diǎn)，去年10月28日，美國48位科學(xué)家在《科學(xué)》雜志上聯(lián)合發(fā)文提出 “聯(lián)合微生物組計劃（UMI）”，開展對人體、植物、動物、土壤和海洋等幾乎所有微生物組的研究，并希望美國能將其與“精準(zhǔn)醫(yī)療”和“腦科學(xué)”兩大科學(xué)計劃予以同樣重視。

    然而，在上述三位科學(xué)家看來，這仍只是一個美國項目，地球生物群落并沒有國界線，揭示它的秘密需要全世界的努力。微生物組研究的成功需要全球生物學(xué)家、化學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、計算機(jī)專家以及臨床專家的合作。

    去年10月29日，他們就在《自然》雜志上發(fā)文，建議在UMI的基礎(chǔ)上啟動IMI，召集所有相關(guān)學(xué)科的專家一起工作，使不同國家和研究領(lǐng)域能夠共享標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)資源的整合。

    實(shí)際上，自2005年巴黎“人類微生物組圓桌會議”之后，國際科學(xué)界就開展了至少8項人體微生物組研究計劃，這些計劃生成了大量數(shù)據(jù)，但卻難以比較和整合。比如用不同的軟件包分析同一個生物樣品的測序數(shù)據(jù)，對該樣品含有的微生物物種數(shù)量的估計可能差2~3個數(shù)量級。

    不同學(xué)科之間的“碎片化”以及研究之間缺乏協(xié)調(diào)合作，已經(jīng)成為微生物組研究的兩大絆腳石。

    “當(dāng)科學(xué)研究面對一個復(fù)雜問題的時候，就相當(dāng)于盲人摸象。有很多人在摸，但摸的卻是不同的象，而且摸不同部位的人不能有效地互相交流。由于每個人看到的都是局部，每個學(xué)科都有自己的專業(yè)術(shù)語，當(dāng)大家在一起討論時就如雞同鴨講?！壁w立平打趣地說，“只有讓所有的盲人都去摸同一頭象，而且互相交流，才能揭示出完整的真相?！?/P>

    在趙立平看來，有很多問題一定要把不同地區(qū)、不同環(huán)境的數(shù)據(jù)綜合到一起，才能夠揭示出規(guī)律。以全球變暖為例，微生物的生命活動釋放的溫室氣體的量不亞于人類生產(chǎn)和生活的釋放量，也就是說，控制工業(yè)碳排放并不能解決根本問題，而只有把全球的數(shù)據(jù)整合在一起才能夠真正揭示問題和規(guī)律。

    整合需解決兩大任務(wù)

    “數(shù)據(jù)是一種最寶貴的資源，要讓這些資源發(fā)揮它的效益，就必須解決能不能整合和愿意不愿意整合的問題?！壁w立平告訴記者，IMI的第一個任務(wù)就是解決數(shù)據(jù)整合的技術(shù)問題，要為整個微生物組研究找到各個領(lǐng)域、各個學(xué)科通用、有效的方法。

    這聽上去很難，但實(shí)際上目前的技術(shù)水平已足以具備支撐這一龐大計劃的基礎(chǔ)，完成首個任務(wù)所需要具備的技術(shù)就是DNA測序、代謝組學(xué)、大數(shù)據(jù)。

    趙立平表示，通過測序可以判斷出一種微生物的具體功能和遺傳潛力，目前，新一代高通量測序技術(shù)已發(fā)展得較為成熟，現(xiàn)在的任務(wù)就是要繼續(xù)增加通量、降低成本，改進(jìn)測序方法使其縮短時間，更加方便。

    而要想搞清楚一種微生物在特定環(huán)境下究竟能干什么，就需要代謝組學(xué)發(fā)揮作用。“基于核磁共振的代謝組學(xué)技術(shù)可以把一個樣品里濃度超過一定量的化合物檢測到一組特定的信號，這個信號經(jīng)過統(tǒng)計分析處理后，就可以轉(zhuǎn)變?yōu)榛衔锝Y(jié)構(gòu)和濃度的信息。”趙立平表示，現(xiàn)在能對成千上萬的樣本用同樣的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析的核磁共振代謝組學(xué)技術(shù)也已基本過關(guān)。

    之后便需要大數(shù)據(jù)技術(shù)出馬。目前，從整個數(shù)據(jù)的存儲、質(zhì)量控制到挖掘、模式識別等都涌現(xiàn)出大量的方法，“現(xiàn)有的方法在一定程度上可以讓我們找出一些規(guī)律性的東西了?！壁w立平說。

    不僅如此，IMI還將為微生物組研究找到新的跨學(xué)科的研究方法。例如，能夠分辨亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和揭示微生物細(xì)胞功能的共聚焦、低溫X線斷層攝影術(shù)等成像技術(shù)，監(jiān)測微生物代謝物的產(chǎn)生和交換的方法。

    中國科學(xué)院微生物研究所研究員金城對《中國科學(xué)報》記者表示，IMI的實(shí)施已經(jīng)不存在技術(shù)障礙，目前最需要找到如何將各個系統(tǒng)、各個領(lǐng)域研究整合起來的新思路。江南大學(xué)生物工程學(xué)院教授高曉東則表示，如果真的要整合，知識產(chǎn)權(quán)將會是最大障礙。

    而這就牽扯到IMI需要解決的第二個任務(wù)：愿不愿意整合，即利益分配的問題。趙立平表示，產(chǎn)權(quán)保護(hù)一直對各種計劃和項目的數(shù)據(jù)共享問題產(chǎn)生困擾，IMI可以對解析研究數(shù)據(jù)、發(fā)表論文和申請專利非常重要的元數(shù)據(jù)加以整理，并控制對這些元數(shù)據(jù)的訪問權(quán)，以此解決數(shù)據(jù)共享和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)糾紛。

    趙立平稱，IMI還在探討更多的方式，比如大數(shù)據(jù)分析單位和提供數(shù)據(jù)的單位或者個人簽署協(xié)議，要求將來如果通過整合數(shù)據(jù)獲得專利并產(chǎn)生收益，提供數(shù)據(jù)者也將獲得一定回報。

    三位科學(xué)家強(qiáng)調(diào)指出，現(xiàn)在必須盡快啟動IMI，讓相關(guān)領(lǐng)域的研究群體都愿意重新開始并遵守新的規(guī)則，這樣才能避免在不同國家開展各自的微生物組研究計劃以后，為了協(xié)調(diào)合作和數(shù)據(jù)共享，再去做各種糾正和補(bǔ)救。

    最終受益于民

    現(xiàn)如今，億萬噸人工制造的有毒化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境，已經(jīng)壓倒了地球微生物降解和循環(huán)利用這些物質(zhì)的能力；抗生素的濫用促進(jìn)了慢性疾病，包括肥胖、糖尿病和癌癥的世界性大流行……

    在三位科學(xué)家看來，微生物組研究不單能給醫(yī)學(xué)、能源、環(huán)境、食品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域帶來革命性的、應(yīng)用性的技術(shù)變化，還能夠促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級換代。通過開展IMI，人類可獲得的成果將會不可勝數(shù)。

    趙立平團(tuán)隊就曾首次發(fā)現(xiàn)遺傳性肥胖的發(fā)病機(jī)理——即便是遺傳性的兒童肥胖癥，治療靶點(diǎn)也并非在人自身的基因，而在腸道菌群。這一發(fā)現(xiàn)讓人們重新認(rèn)識到：基因缺陷造成的疾病可以通過后天腸道菌群的改善來治療。

    “很多微生物其實(shí)是最早啟動了我們現(xiàn)在常見的很多慢性病的過程，所以，找到它就找到了控制該病的一個靶點(diǎn)?！壁w立平說，“這樣就可以通過藥物、營養(yǎng)和菌群移植手術(shù)等各種方法將這個細(xì)菌量降到最低，從而將引起疾病的風(fēng)險降到最低。”

    “IMI對解決各個領(lǐng)域的危機(jī)的作用如何目前來說還很難預(yù)測，但這也正如腸道微生物，一開始并不知道它會起多大作用，但真正做完才發(fā)現(xiàn)其作用巨大，甚至可以影響人的心理健康等。”在金城看來，目前仍有許多非?；A(chǔ)的科學(xué)問題需要全球科學(xué)界去通力解決。