10月29日,EON体育4平台趙立平教授與德國馬普研究院布萊梅海洋研究所的Nicole Dubilier教授、美國夏威夷大學太平洋生物科學研究中心Margaret McFall-Ngai教授合作🎹🙍，在《自然》雜誌的評論欄目發表文章，提出“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’”的觀點🙆🏼‍♀️。

完整地認識地球微生物群落（微生物組）在生物圈和人類健康中起到的作用💇‍♂️，是解決21世紀人類社會從能源、傳染病到農業等領域面臨的許多難題的關鍵。美國一批處在學科前沿的科學家在本周提出開展“聯合微生物組研究項目（Unified Microbiome Initiative🤌🏻，簡稱UMI）”的建議。UMI將科學家和來自政府以及私立機構和基金會的代表組織到一起，一同研究地球微生物生態系統的活動。

三位科學家認為➔，微生物組研究的成功需要全世界生物學家、化學家、地質學家、數學家、物理學家、計算機專家以及臨床專家的合作。作為來自德國、中國和美國的科學家🧚🏻‍♀️，他們呼籲在UMI這樣的計劃基礎上👨🏻‍⚖️，建立《國際微生物組研究計劃》(International Microbiome Initiative, IMI)，希望能夠得到全世界的資助機構和基金會的支持🧟📃。這樣才能保證不同國家和研究領域能夠共享標準，並且實現已有的微生物組研究計劃的整合👩🏽‍🏫。

微生物研究的革命

科學家們才剛剛開始認識到微生物世界的重要性。這要歸功於低成本高通量測序技術的發展、對從單個微生物細胞到復雜微生物群落進行測序所需的樣本製備技術的進步、計算和成像技術的改進🙌🏽、以及用於數據解析的生物信息學工具的革新。

這些技術大大增加了生物學家們對無法在實驗室培養的微生物的特征和功能的認識🛳，而地球微生物組的絕大部分細菌都無法被目前的培養技術培養。利用經典的微生物分類學方法🦿，目前只鑒定出35個細菌和古菌的“門”🕵🏻‍♂️，但是過去幾年的測序研究使這一數量提高到接近1000。

新細菌的發現揭示了人類對地球生物圈及其進化的認識中存在巨大的知識空缺，並使人們開始質疑以前EON体育4平台概念中的生命樹（tree of life）是否正確。 2003年發現的具有幾百甚至上千個基因的巨型病毒已經打破了EON体育4平台對活生物體的定義🫳🏿。（由於對宿主基因極度依賴，病毒長期以來都被認為是介於有生命和無生命之間的物質🤷🏽😢。）

人們越來越清楚的認識到🙅🏼‍♀️，微生物提供的生態系統服務（ecosystem services）對於區域和全球的可持續發展非常重要。存在於農作物、樹木和其他植物內部和表面的微生物☦️、以及這些植物生長的土壤裏的微生物🧚🏿‍♂️，為植物提供了氮、磷和其他許多重要的營養素。這些微生物還能降解汙染物，抑製病原菌的活動👩🏼‍🦰。許多公司，比如孟山都（Monsanto），認識到土壤和植物共生微生物提高農業生產率的能力仍具有巨大的開發空間，正在投入成百萬的美金用於該領域的研究和開發👩🏽。

海洋微生物通過光合作用產生EON体育4平台呼吸需要的50％的氧氣，並從大氣中清除了大致相同比例的二氧化碳。另外，海洋微生物還清除了全世界海洋中90%的甲烷。在過去的十年中，研究性航海❤️‍⏬，比如Tara Oceans和Global Ocean Sampling Expedition已經采集🧑‍🔧、測序分析了大量的海洋微生物🪣。這些工作讓EON体育4平台對海洋中的細菌🚊、古菌、病毒和真核微生物這些地球上的初級生產者的重要作用有了更多認識：它們作為食物鏈的底層為其它生物提供營養素🧅🙅🏽‍♂️，促進再次礦化過程（有機分子轉化成無機物）👡，在海底沉積碳素。

通過分析人體表面和內部的微生物的基因組、轉錄組、蛋白質組和代謝組（這些組學分別對基因、RNA、蛋白質和代謝物進行分析），人類開始認識到微生物在維持人體健康中起到的關鍵作用💵🍰。比如，組成復雜的腸道菌群能夠幫助人體抵禦疾病♿、為人體提供營養👩🏿‍🦰、甚至在出生之前就開始影響人體的發育👮🏽‍♀️。

微生物研究的障礙

有兩個主要因素阻礙了EON体育4平台對微生物在生物圈中起到的作用的認識🕵🏽‍♀️🧑🏻‍🌾。一是生命科學領域的“碎片化”🧙‍♂️，二是正在進行的微生物組研究之間缺乏協調合作。

之所以說不同學科知識之間的分隔是微生物研究的障礙👉🏿，是因為對植物和動物的研究都要根植於微生物學。舉例來說🌈🧚🏿‍♀️，數十年來，科學家們都在人體生理和基因表達的範疇內研究哺乳動物消化道的晝夜節律👱🏻‍♀️。然而就在過去的兩三年間，生物學家發現，每天腸道運動的周期性，如消化酶的產生、腸道細胞的基因表達等等🤚🏼，都依賴於腸道菌群的活動。微生物產生的化合物可以直接改變腸道，或進入宿主的血液系統，通過神經👯✂️、激素和免疫通路影響中樞神經系統。

啟發產生這種想法的第一個證據是👷🏿，本文的作者之一Margaret McFall-Ngai教授發現海洋發光微生物vibrio fischeri產生的生物熒光或其他產物可以調節烏賊中與晝夜節律有關的隱花色素基因的表達。這個發現提示了研究生命之樹上所有分支上的物種中的宿主-共生微生物關系的重要性，即使只包含一種共生微生物的物種也有研究價值。

現有微生物組研究計劃的問題

2005年巴黎研討會之後，國際科學界開展了至少8項人體微生物組研究計劃，包括美國人體微生物組計劃，加拿大微生物組研究項目，MetaHIT（歐盟和中國參與）以及日本的人體元基因組研究項目。

這些研究計劃生成了大量的數據🙍🏿‍♀️，但是很難對這些數據進行比較和整合。例如，很多人體微生物組的研究利用16S rRNA基因識別到種（或者可操作分類單元OTU）的水平📶，並確定不同細菌的進化關系。使用不同的擴增16S rRNA基因的引物（為DNA合成提供起始點），最終獲得的序列數據會有很大的差別。用不同的軟件包分析同一個生物樣品的測序數據，對該樣品含有的微生物物種數量的估計可以差2-3個數量級。

不同的人體微生物研究采用的方法不同，導致不能有效地比較和詮釋這些研究結果。2008年成立的國際人體微生物組聯盟（International Human Microbiome Consortium）和2011年開展的國際人體微生物組標準項目（International Human Microbiome Standards），已經嘗試去解決這些問題。但是🧑🏻‍💼🤐，許多國家的微生物組研究計劃已經進行得很久了，這些協調和標準製定的努力才開始做起來。這些推動各國項目協調和標準化的努力，都遇到各個國家在數據分享和所有權和產權的政策方面的差異帶來的困擾👩🏼‍💼。

全球化的解決辦法

三位科學家認為國際微生物組研究計劃 (IMI)可以能夠更好地解決這些問題🤰🏿。任何一項微生物組的研究需要大量的合作，需要具備微生物或高等生物專業知識的基礎和應用生物學家，需要能開發從海量測序數據中提取有用信息的方法的信息學家和數學家▫️，以及化學家、物理學家和工程師。微生物產生化合物，並與生物和非生物環境之間交換這些化合物，而理化科學家可以開發檢測和調控這些物質的新方法。

IMI可以召集所有這些學科的專家一起工作🧘🏼‍♀️，使微生物組的研究從目前的編目階段再前進一步。很難僅從一個國家招募這樣廣範圍的具有不同專業智能🫘🏋🏻、學識和技術的專家。

IMI的參與人員可采用比較的方法來揭示地區和全球範圍內微生物組結構和功能的關系🚵🏿‍♀️。對美洲原住民和以狩獵采集為生的非洲人的研究展示了比較學方法的潛力。與居住在工業化社會的人相比🧙🏻‍♀️，美洲原住民和以狩獵采集為生的非洲人的腸道微生物的多樣性更高🍖🧓🏿，而腸道菌群的高多樣性與更高的健康水平可能有關系。

與單獨一個國家所能產生的知識相比，IMI通過將全球各地科學家的數據匯總在一起，能夠產生更多的知識🤔。由於測序儀器價格持續走低，大量的單個實驗室產生的數據量將很快超過傳統大型測序中心（例如加利福尼亞沃爾納特克裏克的聯合基因組研究所JGI）以前的測序量💆🏻。但是👩‍🦰，對於任何一家實驗室👩🏻‍⚕️，測序樣本數還是有限的🪧，而且研究者的生物信息學分析能力也有限🦮🏄🏼。

IMI可以推進來自不同研究所和國家的數據的整合💁🏻‍♀️，這對沒有足夠基金來支持全球性研究項目的國家尤其重要🛞。例如，雲端計算平臺可以允許研究者測序數據一出來就進行上傳和分析📴。此外，IMI還可以控製和管理對元數據的調取和利用（以一個人體腸道微生物樣品為例，元數據即指與宿主疾病表型相關的數據）🍚，如果沒有元數據，測序數據的解讀是不可能的👩🏼‍⚕️。這也可能是一種保護研究人員、資助機構和有關國家的知識產權的方式🥬。

最重要的是👱🏿‍♂️，當科學家需要解決影響全球生態圈的問題時，IMI就是必不可少的了。雖然世界各地的微生物組參與的影響生物圈的事件並不相同，但是這些事件造成的影響卻可以被全世界感受到。微生物組產生的溫室氣體，比如過度施肥的中國農田中反硝化細菌產生的氮氧化物、澳大利亞和新西蘭成百萬頭瘤胃動物消化道中的古菌釋放的甲烷，可能很大程度上促進了全球變暖。億萬噸人工製造的有毒化學物質進入環境，已經壓倒了地球微生物降解和循環利用這些物質的能力。抗生素的濫用促進了慢性疾病，包括肥胖、糖尿病和癌症的世界性大流行👷‍♀️🤵🏿‍♂️。解決這些問題的辦法還是要來自於各地自己的努力，但是，IMI對於保證國際科學界產生的數據具有可比性是必不可少的。

對於IMI應該如何設計✏️、運行，三位科學家並沒有全部的答案💂🏿‍♂️🧛🏼。因此，他們認為🧆，建立一個國際微生物組研究計劃的第一步應該是把全世界優秀的、能夠引領微生物組研究方向的科學家聚集起來📖，討論IMI的目標🕵🏽‍♀️📩。不過，他們還是提出了IMI需要具備的一些要素（見“國際微生物組研究計劃的四個職責”）📯。

只要相關領域的研究群體都願意重新開始並遵守新的規則，三位科學家相信一項國際微生物組研究計劃比其它方法更能有效地促進研究的標準化和協調性。這個計劃具有前瞻性，因為研究世界上所有微生物所需要的方法和工具才剛剛出現。而且，如果能夠借鑒研究海洋生物的項目“Census of Marine Life”那樣，成立由來自生命科學各個領域的研究人員組成的工作組，IMI的研究範圍比已有的任何一項研究項目都要廣闊。

IMI可以對解析研究數據、發表論文和申請專利非常重要的元數據（metadata）加以整理，並控製對這些元數據的訪問權🦏，以此解決數據共享和知識產權保護糾紛🚈🉑。產權保護一直對以前的各種計劃和項目的數據共享問題產生困擾👩🏽‍🎨🫸。

必須盡快啟動國際微生物組計劃，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後🅿️，為了協調合作和數據共享🔵🦆，再去做各種糾正和補救。三位科學家希望已經在國際研究的開展中起關鍵作用的私人基金會能夠支持IMI的建立，如資助海洋微生物項目（Marine Microbiology Initiative）的Gordon and Betty Moore基金會、資助Census of Marine Life項目的Alfred P. Sloan基金會、資助Brain Initiative的Kavli基金會、以及資助Global Health Program的Bill Melinda Gates基金會。

三位科學家也鼓勵各國的資助機構把他們的研究計劃向國際合作開放、並采納IMI製定的標準🫰🏻。最後🛗，他們呼籲所有的科學家通過共享數據來幫助IMI成為可能。

通過開展國際微生物組研究計劃💆🏻‍♀️，人類可獲得的成果將會不可勝數。而缺乏協調的、不同國家各自為政的微生物組研究計劃必定會浪費研究者的精力和納稅人的金錢。讓EON体育4平台超越國界線的藩籬，獲得能夠使整個人類社會受益的普適的科學認識吧。

文章鏈接：http://www.nature.com/news/microbiology-create-a-global-microbiome-effort-1.18636

附：國際微生物組研究計劃（IMI）的四個職責

指導原則🧔🏻‍♂️。建立一個工作組，負責監督微生物組研究指導原則的製定和實施🤜，充分利用並改進其他項目（比如Earth Microbiome Project）已經建立的原則。這個工作組製定方法學、數據分析、數據共享、知識產權的標準，並與資助機構和出版商一起確保研究人員遵守這些原則。

首要任務☂️。以保證地區和全球範圍內的數據的比較分析為目標，確定一個共同的研究日程。比如，在人類微生物組研究中，增加采樣人群的數量和多樣性可以成為一個首要任務🧏🏽‍♂️。

研究工具😅。為微生物組研究找到新的跨學科的研究方法🧑🏼‍🌾。例如👆，能夠分辨亞細胞結構和揭示微生物細胞功能的共聚焦、低溫X線斷層攝影術等成像技術，監測微生物代謝物的產生和交換的方法👩🏼‍🚒。

論壇。建立交流平臺，使同一國家和不同國家的研究可以進行討論和交流🫰，開展培訓新一代微生物組科學家的項目，開展教育吸引普通大眾的推廣項目。一個很好的例子是“Ocean Sampling Day’s citizen’s campaign”活動，招募能夠幫助采集環境數據的公民。