美國啟動“國家微生物組計劃”---詳解“微生物組”來龍去脈

1、美國啟動“國家微生物組計劃”-詳解“微生物組”來龍去脈2016 年 5 月 13 日，美國白宮科學和技術(shù)政策辦公室（ OSTP） 與聯(lián)邦機構(gòu)、私營基金管理機構(gòu)一同宣布啟動 “國家微生物組計劃”（ National Microbiome Initiative ，簡稱NMI ） ，這是奧巴馬政府繼腦計劃、精準醫(yī)學、抗癌“登月”之后推出的又一個重大國家科研計劃。實際上，去年5 月份，美國的白宮科技政策辦公室（OSTP）發(fā)布公告稱，對微生物群落或 “微生物組”基本問題的研究，將有助于推動基礎研究邁向廣泛領(lǐng)域的實際應用，包括環(huán)境治理、糧食生產(chǎn)、營養(yǎng)與醫(yī)學研究等。鑒于微生物組研究在各個不同應用領(lǐng)域已經(jīng)證實

2、的和潛在的價值。時隔一年，美國終于捷足先登，率先開展這項大計劃！根據(jù)白宮公布的信息顯示，新研究計劃關(guān)注的方向主要包括如下幾個方面：支持跨學科研究，解決不同生態(tài)系統(tǒng)微生物的基本問題；開發(fā)平臺技術(shù)，對不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物組的認識以及知識的積累，并提高微生物數(shù)據(jù)的訪問；通過公民科學、公眾參與，擴大微生物的影響力。此次微生物研究計劃陣容強大：美國能源部、航空航天局、國立衛(wèi)生研究院、美國國家科學基金會、農(nóng)業(yè)部都公布了相應的研究方向。這些部門將一起展開環(huán)境微生物的研究，構(gòu)成 NMI 的研究系統(tǒng)。美國政府以往每年會投入3 億美元花在微生物研究上，NMI 計劃將會令這一領(lǐng)域的經(jīng)費增長1.21億美元。作為對白宮

3、這一舉措的回應，投資者以及科研機構(gòu)會跟進 4 億美元的資助(簡評：其實這些錢真心不多，中國跟進肯定是數(shù)倍的！但是官方的態(tài)度是最重要的)。 NMI 計劃將給我們會帶來什么？這是一個很難回答的問題，如果將與人類相關(guān)的所有環(huán)境微生物和人體微生物都弄清楚，那么這將是人類認識生命歷史上重要的事件之一。同時研究工具以及手段的進步，將會提高微生物研究的效率。微生物本身是一個巨大的知識庫，它將會在很大程度上改變我們對微生物、環(huán)境以及我們自身的態(tài)度。例如我們通過生活方式的改變，來增加微生物對人體健康帶來的影響。事實上，除了NMI 計劃外， 目前美國和歐盟已啟動的大型人類微生物研究計劃還包括人類微生物組計劃(HM

4、P)和 MetaHIT。 HMP計劃是由美國國立衛(wèi)生研究院啟動，旨在收集跟人體相關(guān)的所有微生物，探討微生物群落的豐度對人體的影響，從而幫助我們了解其在人類健康和疾病中的作用。MetaHIT 計劃是由歐盟第七框架計劃(FP7)資助的子項目之一，致力于建立人腸道微生物基因與人體健康和疾病的關(guān)系。微生物組里程碑性事件2011 年， “地球微生物計劃”( Earth MicrobiomeProject)啟動，該計劃旨在通過對全球典型的環(huán)境樣本進行宏基因組測序，包括土壤、海洋、空氣、淡水等生態(tài)系統(tǒng)，從而全方位地分析微生物群落的多樣性及其功能。在海洋微生物研究方面，科學狂人克雷格·文特爾（ Cr

5、aig Venter）可以說一直走在時代的前沿，其創(chuàng)立的克雷格·文特爾研究所（ J. Craig Venter Institute）早在 2004 年就發(fā)表了關(guān)于馬尾藻的基因組研究。目前，他的研究組已在全球收集了數(shù)千份海洋資源的樣本。在2011 年十大科學突破中，人類微生物組研究的新突破也被評上了，這應該是微生物組全面走向“網(wǎng)紅”的開始吧。 2013 年上半年，美英科學家預測未來可能十大科技突破，其中就有微生物組（美英知名科學家預言未來十大科學突破），這預示微生物組開始走向熱潮。同年，科學公布2013 年度十大科學突破，微生物組研究位列第 10 位，名為我們的微生物，我們的健康！ 2

6、014 年 11月 15-19 日，在美國神經(jīng)生物學協(xié)會年會上，科學家們還專門發(fā)起了一個論壇叫“腸道微生物和大腦：神經(jīng)科學的典范轉(zhuǎn)移” ，表明神經(jīng)科學基本理論正在發(fā)生原先基于根本假設的改變。同時，明確提出“腦-腸軸”理論。中國微生物組的呼聲與推動者在國內(nèi)，2015 年，生物谷率先在國內(nèi)舉辦腸道微生物領(lǐng)域的學術(shù)會議，進一步推動國人對腸道微生物的關(guān)注程度，2016 年是第二屆（2016 年（第二屆）腸道微生物組與臨床應用研討會在上海滬西大劇院圓滿閉幕） 。同時，去年上海交通大學教授趙立平教授就大聲疾呼成立全球性腸道微生物聯(lián)合組織，同時，趙立平因為在腸道微生物方面的研究當選美國微生物科學院（Amer

7、icanAcademy of Microbiology, AAM ）院士（Fellow） （上海交通大學教授趙立平當選AAM 院士） 。 趙立平教授為了普及腸道微生物知識，不惜開展科普教育，寫出趣談腸道微生物三節(jié)文章，引發(fā)高度關(guān)注（趙立平教授趣談腸道微生物：肥胖細菌狩獵記（1-3 節(jié) ） 。 把腸道微生物從科學領(lǐng)域推向公眾領(lǐng)域，引發(fā)更多學者的關(guān)注。此次美國微生物組計劃剛一啟動，趙立平教授又公平提出啟動 “中華民族人體微生物組計劃”（趙立平： 關(guān)于盡快啟動 “中華民族人體微生物組計劃”的建議） ，趙立平教授這些不遺立的推動與呼吁，推動了中國微生物組領(lǐng)域的快速發(fā)展。什么是微生物組？不可思議的微生物

8、微生物一詞來自英文Microorganism ，指生活在顯微尺寸下的生物，可以是單細胞或多細胞生物，包括：細菌、真菌、病毒以及一些小型的原生動物等等。 從 1674 年列文虎克（Antonievan Leeuwenhoek） 發(fā)明顯微鏡開始，微生物逐漸被人們科學地認識，曾經(jīng)有報道指出地球上存在1 萬億種微生物，但其中只有非常小的比例被人描述過。從對流層頂部的大氣層到海洋深處，從冰山之巔到生命禁區(qū)的沙漠之深，從近百攝氏度的海底火山口到高鹽的鹽湖，都有微生物的身影。在我們的身體上，微生物從皮膚到我們的腸道，凡是跟外界接觸的地方都有它們的存在。微生物比人類更早的出現(xiàn)在地球上， 它們無孔不入、無處不在

9、。目前， 美國航空航天局（ NASA ）的 科學家在追尋宇宙微生物的存在。地球上存在1 萬億種微生物，但其中只有非常小的比例被人描述過特別福利：關(guān)注免疫細胞研究微信號，回復： 王博士，可以獲得最新Microbiome 講座 ppt全文下載鏈接微生物對人類的重要意義微生物組(Microbiome )是指一個特定環(huán)境中的微生物群，它們生活在一定環(huán)境空間，相互影響并彼此平衡，從而形成了相對穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境。微生物不僅能保持生態(tài)系統(tǒng)的健康功能，并且影響人類健康、氣候變化、糧食安全等。 部分功能性微生物還與人類的慢性疾病相關(guān)，如肥胖、糖尿病、哮喘等。它們在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、生物燃料的生產(chǎn)以及食品加工等領(lǐng)域也發(fā)揮

10、重要作用。事實上，人類對微生物最早的認識，可能是食用發(fā)酵變質(zhì)后的食物引起中毒時的痛苦記憶。后來人類就開始學會使用酵母菌來發(fā)酵生產(chǎn)易于消化的食物，如面包、醋和酒類等。自200 年前發(fā)酵工業(yè)興起之時，人們開始大規(guī)模使用工業(yè)微生物，其中著名的是酵母菌以及生產(chǎn)各種抗生素使用的工業(yè)菌。利用微生物生產(chǎn)阿片類藥物 以及紫杉醇、青蒿素等藥物，也已不再新鮮。有科學家在研究通過微生物來生產(chǎn)人類需要的所有食物、藥品、消耗品等生活所需。目前，基于工業(yè)微生物的發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)值已經(jīng)超過4000 億元，而且人類對工業(yè)微生物的需求還在擴大。在人類曲折的歷史上，微生物也引發(fā)了造成大量死亡的流行性疾病，如黑死病、流感、瘧疾等。雖然很

11、多微生物是人類的致病原，但我們也應看到，它們也可產(chǎn)生像青霉素這樣的抗生素。隨著科技的發(fā)展以及知識的更新，人們逐步利用微生物來生產(chǎn)疫苗、抗生素等，幫助人們戰(zhàn)勝傳染病。腸道微生物是近些年的研究熱點，它們寄生在人類腸道中，數(shù)量是我們自身細胞的數(shù)倍。雖然人類很久以前就已了解到腸道微生物跟人類的關(guān)系密切，但直至近些年來，研究者才揭示腸道微生物在人類健康和疾病中起到重要作用。通過與我們的大腦的關(guān)聯(lián)，腸道菌群既可控制人類的情緒，還影響我們對食物的喜好。在人體免疫系統(tǒng)方面，研究者發(fā)現(xiàn)它們在免疫發(fā)展的過程中起到重要作用。微生物還與人體呼吸性疾病、衰老以及癌癥關(guān)系密切。在藥物使用方面，研究者也在關(guān)注腸道微生物與抗

12、生素、免疫治療的關(guān)系。實際上，研究者已把腸道微生物作為用藥的對象來對待，腸道菌群儼然已是一個不可忽視的器官。研究迅速，了解有限顯微鏡的出現(xiàn)，讓人們可以觀察微生物的形態(tài)。隨著各種微生物培養(yǎng)技術(shù)的成熟，人們可以對微生物持續(xù)的觀察，并根據(jù)形態(tài)等特征進行分類。DNA 測序和分子遺傳學的發(fā)展，使得16sRNA 基因測序成為微生物分類的主要研究方法。而高通量測序技術(shù)(Next Generation Sequencing， NGS)的出現(xiàn)則讓大量鑒定微生物成為可能。最近5 年，微生物組的研究經(jīng)常是頂級學術(shù)雜志的?？?，甚至每一期的雜志都有微生物群落 的論文發(fā)表。但對于地球上究竟有多少種微生物這一基本問題，至今

13、依然沒有人能給出具體的答案。不僅因為微生物的數(shù)量龐大，種類繁多，另一方面，也是因為研究手段的缺乏，例如僅僅1 克濕的土壤中就可能含有1010 1011 個微生物個體，種類也可能超過1.6 萬種。如果我們想理順它們的功能以及相互間的關(guān)系，那么這一問題則更為復雜，期待 NMI 計劃能夠讓我們窺探微生物更多的秘密。小小的微生物，為何能成為美國的國家級大型科研計劃？美國政府將如何實施這個計劃？最終的目標又是什么？啟動資金超5 億美元微生物存在于人體、植物、土壤、海洋等各種環(huán)境中，這些微生物群落的集合被稱為微生物組。美國國家科學院院士、夏威夷大學太平洋生命科學中心主任瑪格麗特·麥克福爾恩蓋告訴

14、新華社記者，當今這個時代人類面臨的挑戰(zhàn)，包括養(yǎng)活眾多的人口、生產(chǎn)可持續(xù)的能源、保護環(huán)境或減緩對環(huán)境的破壞，以及人類健康，都與生物學相關(guān)，可以從微生物世界中找到解決方案。最近10 年來，人們逐漸認識到，從肥胖、糖尿病、哮喘等人類健康問題到海洋“死區(qū)”等環(huán)境問題，從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)到氣候變化，或多或少都與微生物組相關(guān)聯(lián)。腸道微生物組甚至被稱為人體的“第二基因組”。鑒于微生物組對人類與環(huán)境健康的重要性，奧巴馬政府雖然任期將至，仍決定推出“國家微生物組計劃”。當然，這與白宮科技政策辦公室副主任喬·漢德爾斯曼的大力推動也有直接關(guān)系。漢德爾斯曼原本就是一名微生物學家，計劃在今年7 月重新回到她在耶魯大學

15、的實驗室繼續(xù)搞研究。根據(jù)白宮公布的計劃，美國政府將在未來兩年投入1.21 億美元 “國家微生物組計劃”聯(lián)邦專項資金作為啟動資金。除了聯(lián)邦機構(gòu)外，還有數(shù)十所大學和研究機構(gòu)將加入“國家微生物組計劃” ，它們將在未來幾年投入總共4 億美元的啟動資金?？傮w上， “國家微生物組計劃”有三大目標：首先，支持跨學科研究，以回答多樣化生態(tài)系統(tǒng)中微生物組的基本問題，如什么是健康的微生物組；其次，開發(fā)檢測、分析微生物組的工具，如實時檢測空氣、土壤、水或人體微生物的手持傳感器；第三，培訓更多的微生物組相關(guān)工作人員。微生物組科技必將引發(fā)新一輪產(chǎn)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(jīng)到了必須從系

16、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(shù)驅(qū)動看，已經(jīng)開展的各類微生物組學科技項目已經(jīng)促進核心技術(shù)演化到關(guān)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(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

17、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)濟社會效益。“未來是微生物組的時代”雖然“國家微生物組計劃”不像腦計劃、精準醫(yī)學、抗癌“登月”計劃那樣由奧巴馬本人對外宣布，但漢德爾斯曼在13 日的白宮微生物組會議上指出，奧巴馬政府的一些優(yōu)先領(lǐng)域，比如精確醫(yī)學、可再生能源、農(nóng)業(yè)與氣候變化等，都與微生物組有“強烈關(guān)聯(lián)”。事實上，得益于低成本高通量基因測序技術(shù)的發(fā)展、計算和成像技術(shù)的改進，以及用于數(shù)據(jù)分析的生物信息學工具的革新等進展，微生物組學正在迅速發(fā)展為促進經(jīng)濟增長的一個新興學科。 “過去幾年我們看到這個領(lǐng)域的新公司如雨后春筍般在全美涌現(xiàn)，一些公司做得非常、非常成功， ”漢德爾斯曼對與會者說

18、， “我們認為未來是微生物的時代。國家的發(fā)展將依靠在微生物組及相關(guān)科學方面的偉大技術(shù)與創(chuàng)新。 ”美國政府一直在微生物組領(lǐng)域進行投資。早在2007 年，美國國家衛(wèi)生研究院就啟動了為期10 年的“人類微生物組項目”，累計投入資金2.15 億美元， 為今天微生物組研究的迅猛發(fā)展奠定了基礎。近幾年，美國政府對微生物組領(lǐng)域的支持力度進一步增加。美國官方2015 年公布的報告顯示，2014 財政年度在該領(lǐng)域的聯(lián)邦投資是2012 財政年度的3 倍，最近3年間的聯(lián)邦投資總額超過9.22 億美元。 而 “國家微生物組計劃”的啟動，在漢德爾斯曼看來標志著一個新的里程碑，她 在白宮官網(wǎng)的一篇博客中推介說： “如果有

19、一件事我們可以確信，那就是微生物雖小，但它們的影響巨大。 ”自 2005 年以來，國際科學界開展了至少8 項人體微生物組計劃，包括美國人類微生物組項目、加拿大微生物組研究項目以及日本人體元基因組項目。中國科學家近年來也積極參與或牽頭實施了中法腸道元基因組研究、十萬食源性病原微生物基因組計劃、萬種微生物基因組計劃等。但是上海交通大學趙立平教授指出，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。為此，趙立平聯(lián)合麥克福爾恩蓋及一名德國微生物學家于去年10 月在英國自然 雜志發(fā)文，共同呼吁盡快啟動 “國際微生物組計劃”

20、。與此相呼應，近20 名美國科學家同時在美國科學雜志上發(fā)出類似提議，建議開展“聯(lián)合微生物組研究計劃”。趙立平告訴記者，他們現(xiàn)在計劃在美國羅格斯大學建立一個實驗室，把上海交大、羅格斯大學與夏威夷大學的研究力量組織起來，組成一個糖尿病微生物組國際研究中心，計劃5 年內(nèi)從民間籌集2 億美元的投資，集中攻關(guān)糖尿病。麥克福爾恩蓋則表示， “國際微生物組計劃”呼吁國際科學界通過全球合作加深對微生物界的認識， “中國是世界大國之一，所以中國有可能成為采取措施、承擔領(lǐng)導角色的國家之一”微生物組研究的未來藍圖未來是微生物組時代，告訴我們微生物組巨大的想象空間。而微生物組學本身，以及研究技術(shù)也需要走向未來。整個生

21、物醫(yī)學領(lǐng)域，學科交叉越來越頻繁，各種技術(shù)也會更為緊密地結(jié)合。記者采訪了生物谷創(chuàng)始人張發(fā)寶博士，他認為目前對微生物組的研究技術(shù)還處于初級階段。 人體微生物種類高度復雜，目前對微生物的認識還有限。例如腸道微生物可能存在數(shù)千種不同的微生物，但是人類最為熟悉的不過數(shù)十種，其中還有大量微生物目前在體外難以人工培養(yǎng)，這些都限制了對微生物組的認識深度。但是，隨著技術(shù)的深入，當前熟悉的基因編輯技術(shù)，光遺傳學技術(shù)，都將迅速與微生物組結(jié)合。同時，人類對微生物組的認識，除腸道微生物組外，還有呼吸道微生物組，皮膚微生物組，口腔微生物組，外泌尿道微生物組，這些部位的微生物菌群可能扮演著不為人知的角色，對人體防御疾病，以

22、及對很多疾病的發(fā)展與發(fā)展，都可能存在關(guān)鍵性作用，甚至可以說會開啟一個更廣闊的未知世界。在揭示基因與環(huán)境相互作用層面，以及人類對環(huán)境適應層面，個體易感性差異層面，都會提升全新的認識。張發(fā)博士認為，將來人類對微生物組的地步，與遺傳和環(huán)境因素同等重要，甚至可以認為，在遺傳、環(huán)境對影響疾病中間，微生物組在其中起到關(guān)鍵的平衡與中介角色。特別福利：關(guān)注免疫細胞研究微信號，回復：王博士，可以獲得最新Microbiome 講座 ppt 全文下載鏈接本文綜合了田埂教授等人的發(fā)表文章。相關(guān)文獻：Mayer EA,Knight R, Mazmanian SK, Cryan JF, Tillisch K. Gut m

23、icrobes and the brain: paradigm shift in neuroscience. J Neurosci. 2014 Nov 12;34(46):15490-6Mayer EA, Tillisch K, Gupta A.Gut/brain axis and the microbiota. J Clin Invest. 2015 Mar 2;125(3):926-38Patel T, Bhattacharya P, Das S. Gut microbiota: an Indicator to Gastrointestinal Tract Diseases. J GastrointestCancer. 2016 Apr 29Boulang CL,é Neves AL, Chilloux J, Nicholson JK, Dumas ME. Impact of the gut microbiota on inflammation, obesity, and metabolic disease.