如何通过微生物组研究化解危机？前不久，中、美、德三国科学家在《自然》杂志上发文呼吁，要想搞清楚微生物如何影响人和地球的健康，需要全球科学界集结一支多学科背景的国际研究队伍，启动“国际微生物组计划（IMI）”。

这三位科学家分别是德国马普海洋研究所教授尼克尔·杜比利艾、美国夏威夷大学教授玛格丽特·麦克福尔·盖恩和中国上海交通大学教授赵立平。

赵立平日前在接受采访时指出，当前的微生物学研究如同“盲人摸象”，由于各国的研究方法和标准不统一，使得数据难以比较及整合，这种“碎片化”现状造成资源的极大浪费。只有将全球数据整合在一起，才能真正解开地球微生物群落的更多秘密。

“碎片化”造成资源浪费

微生物组是微生物群落里所有基因组信息的总和，它决定着一个群落能够执行怎样的功能。深入研究和解析微生物组的信息总量、分布特征和表达规律，是解决当前能源、农业、医疗等领域中诸多难题的关键，具有不可估量的经济和社会效益。

正是意识到这一点，去年10月28日，美国48位科学家在《科学》杂志上联合发文提出“联合微生物组计划（UMI）”，开展对人体、植物、动物、土壤和海洋等几乎所有微生物组的研究，并希望美国能将其与“精准医疗”和“脑科学”两大科学计划予以同样重视。

然而，在上述三位科学家看来，这仍只是一个美国项目，地球生物群落并没有国界线，揭示它的秘密需要全世界的努力。微生物组研究的成功需要全球生物学家、化学家、地质学家、数学家、物理学家、计算机专家以及临床专家的合作。

于是，他们在《自然》杂志上发文，建议在UMI的基础上启动IMI，召集所有相关学科的专家一起工作，使不同国家和研究领域能够共享标准，从而实现资源的整合。

实际上，自2005年巴黎“人类微生物组圆桌会议”之后，国际科学界就开展了至少8项人体微生物组研究计划，这些计划生成了大量数据，但却难以比较和整合。比如用不同的软件包分析同一个生物样品的测序数据，对该样品含有的微生物物种数量的估计可能差2～3个数量级。

不同学科之间的“碎片化”以及研究之间缺乏协调合作，已经成为微生物组研究的两大绊脚石。

“当科学研究面对一个复杂问题的时候，就相当于盲人摸象。有很多人在摸，但摸的却是不同的象，而且摸不同部位的人不能有效地互相交流。由于每个人看到的都是局部，每个学科都有自己的专业术语，当大家在一起讨论时就如鸡同鸭讲。”赵立平说，“只有让所有的盲人都去摸同一头象，而且互相交流，才能揭示出完整的真相”。

在赵立平看来，有很多问题一定要把不同地区、不同环境的数据综合到一起，才能够揭示出规律。以全球变暖为例，微生物的生命活动释放的温室气体的量不亚于人类生产和生活的释放量，也就是说，控制工业碳排放并不能解决根本问题，而只有把全球的数据整合在一起才能够真正揭示问题和规律。

整合数据至关重要

“数据是一种最宝贵的资源，要让这些资源发挥效益，就必须解决能不能整合和愿意不愿意整合的问题。”赵立平指出，IMI的第一个任务就是解决数据整合的技术问题，要为整个微生物组研究找到各个领域、各个学科通用、有效的方法。

这听上去很难，但实际上目前的技术水平已足以具备支撑这一庞大计划的基础，完成首个任务所需要具备的技术就是DNA测序、代谢组学、大数据。

赵立平表示，通过测序可以判断出一种微生物的具体功能和遗传潜力，目前，新一代高通量测序技术已发展得较为成熟，现在的任务就是要继续增加通量、降低成本，改进测序方法使其缩短时间，更加方便。

而要想搞清楚一种微生物在特定环境下究竟能干什么，就需要代谢组学发挥作用。“基于核磁共振的代谢组学技术可以把一个样品里浓度超过一定量的化合物检测到一组特定的信号，这个信号经过统计分析处理后，就可以转变为化合物结构和浓度的信息。”赵立平表示，现在能对成千上万的样本用同样的标准进行分析的核磁共振代谢组学技术也已基本过关。

之后便需要大数据技术出马。目前，从整个数据的存储、质量控制到挖掘、模式识别等都涌现出大量的方法，“现有的方法在一定程度上可以让我们找出一些规律性的东西了。”赵立平说。

中国科学院微生物研究所研究员金城表示，IMI的实施已经不存在技术障碍，目前最需要找到如何将各个系统、各个领域研究整合起来的新思路。

江南大学生物工程学院教授高晓东则认为，如果真的要整合，知识产权将会是最大障碍。

而这就牵扯到IMI需要解决的第二个任务：愿不愿意整合，即利益分配的问题。赵立平表示，产权保护一直对各种计划和项目的数据共享问题产生困扰，IMI可以对解析研究数据、发表论文和申请专利非常重要的元数据加以整理，并控制对这些元数据的访问权，以此解决数据共享和知识产权保护纠纷。

受益成果数不胜数

现如今，亿万吨人工制造的有毒化学物质进入环境，已经压倒了地球微生物降解和循环利用这些物质的能力；抗生素的滥用促进了慢性疾病，包括肥胖、糖尿病和癌症的世界性大流行……

在三位科学家看来，微生物组研究不单能给医学、能源、环境、食品、农业等领域带来革命性的、应用性的技术变化，还能够促进产业升级换代。通过开展IMI，人类可获得的成果将会数不胜数。

赵立平团队就曾首次发现遗传性肥胖的发病机理——即便是遗传性的儿童肥胖症，治疗靶点也并非在人自身的基因，而在肠道菌群。这一发现让人们重新认识到：基因缺陷造成的疾病，可以通过后天肠道菌群的改善来治疗。

“很多微生物其实是最早启动了我们现在常见的很多慢性病的过程，所以，找到它就找到了控制该病的一个靶点。”赵立平说，“这样就可以通过药物、营养和菌群移植手术等各种方法将这个细菌量降到最低，从而将引起疾病的风险降到最低。”

“IMI对解决各个领域的危机的作用如何目前来说还很难预测，但这也正如肠道微生物，一开始并不知道它会起多大作用，但真正做完才发现其作用巨大，甚至可以影响人的心理健康等。”在金城看来，目前仍有许多非常基础的科学问题需要全球科学界去通力解决。

延伸阅读

微生物是个大家族

微生物是什么？简言之，就是难以用肉眼观察到的一切微小生物，它们就像个成员众多的大家族，包括细菌、真菌以及一些小型的原生生物、显微藻类等在内的一大类生物群体以及病毒。

微生物个体非常小，比如中等大小的细菌，1000个叠加在一起也只有句号那么大。而一滴腐败的牛奶中，就可能含有50亿个细菌。

微生物的形态观察，是从发明显微镜开始的。利用能放大50～300倍的显微镜，可清楚地看见细菌和原生动物。19世纪末和20世纪初，微生物学走出低谷被牢固地建立起来，并朝两个方面发展：一是研究传染病和免疫学，研究疾病的防治和化学治疗剂的功效；二是和遗传学的结合。

微生物种类繁多，与人类关系密切，涵盖了有害跟有益的众多种类，广泛涉及食品、医药、工农业、环保等诸多领域，对人类最重要的影响之一是导致传染病的流行——人类疾病中有50%是由病毒引起的。此外，微生物还能造成食品、布匹、皮革等发霉腐烂。

但是微生物也有有益的一面，它们既能用来生产诸如奶酪、面包、泡菜、啤酒和葡萄酒之类的美味，还可用作药物造福人类健康。比如可抑制其他细菌生长的青霉素，对医药界来讲就是一个划时代的发现；还有从放线菌等的代谢产物中筛选出来抗生素，在第二次世界大战中挽救了无数人的生命。

对工业微生物开展的基因组研究，是目前比较流行的一件事，不断发现新的特殊酶基因及重要代谢过程和代谢产物生成相关的功能基因，并将其应用于生产以及传统工业、工艺的改造，推动了现代生物技术的迅速发展。

微生物之间也存在相互作用，且相当奥秘。譬如，健康人的肠道中有多达上百种的细菌存在，被称为正常菌群。在肠道环境中，这些细菌相互依存，互惠共生，在食物、有毒物质甚至药物的分解与吸收过程中发挥着作用。不过，这些细菌之间的相互作用机制现在还不甚明了，只知道一旦菌群失调，就会引起腹泻。

虽然被发现的微生物已有很多，但由于培养方式等技术手段的限制，人类现今发现的微生物还只占自然界中存在的微生物的很少一部分。对人类来讲，某种意义上微生物也是一座宝库。（储棕荷）