两年三千万,深挖微生物“黑科技”

  人类认识的微生物还不足1%,微生物群体及其功能的形成过程和机制,以及驱动微生物群演化的动力等在很大程度上还是一个“黑箱”。

  “项目执行期为两年,总投入3000万元,14个研究单位、30个研究团队投身其中。通过这一‘种子计划’的实施,为‘中国微生物组计划’做好预研工作。”中国科学院微生物研究所所长刘双江研究员所说的“种子计划”,是指2017年12月20日启动的“中国科学院微生物组计划”。项目由中科院微生物研究所牵头,整合中科院上海生命科学研究院等中科院下属研究所和北京协和医院14家机构,联手攻关“人体与环境健康的微生物组共性技术研究”。

  那么,何为微生物组,它和人类的生存与发展有什么关系?与国际巨头同台竞争,我国微生物组路线图如何规划?

  超乎想象 孕育解决人类问题的关键技术

  众所周知,青霉素的发现延长了人类寿命。挖掘、利用好一种微生物,带来的福祉可不仅如此。

  所谓微生物组,是指一个特定环境或者生态体系中全部微生物及其遗传信息的总和。近年来,科学家们越来越认识到微生物组研究的重要性,认为其孕育着解决人类面临的包括健康下降、环境恶化等问题的关键技术和方案。

  “微生物组在地球生态系统和人类健康中的作用超乎想象,它不仅将帮助人类克服当今面临的生存挑战,还能提供未来的生存之道。”刘双江说,人类认识的微生物还不足1%,微生物群体及其功能的形成过程和机制,以及驱动微生物群演化的动力等在很大程度上还是一个“黑箱”。

  中科院微生物组计划,全称为中科院“人体与环境健康的微生物组共性技术研究”,将为了解这些未知世界提供新的机遇,为呼之欲出的中国微生物组计划的诞生发挥先导和引领作用。

  中科院微生物组计划下设5个课题,分别聚焦研究人体肠道微生物组、家养动物肠道微生物组、活性污泥微生物组的功能网络解析与调节机制,创建微生物组功能解析技术与计算方法学,以及建设中国微生物组数据库与资源库。

  中科院院士、中科院上海生命科学研究院研究员赵国屏此前表示,微生物组研究是一个来源于应用的课题,之前更多的是进行微生物组结构和表型的研究,随着中科院微生物组计划的实施,将更多地关注功能和机理研究,同时实现微生物组研究的共性、关键技术的突破。

  聚焦健康 探寻“人类第二基因组”调控机理

  中科院微生物组计划,将聚焦人体肠道、动物肠道和活性污泥微生物组相关研究,是基于国家需求、微生物组科技前沿和百姓需求而定。

  肠道微生物群体是人体一个尚未被充分认知的“器官”,肠道微生物基因组总和被称为“人类第二基因组”。研究发现,人肠道中栖居多达1000种微生物,每个人肠道中平均有160种微生物物种,肠道微生物组基因数量是人体自身基因数量的数百倍,其细胞数量是人体自身细胞数量的10倍,这些微生物与人体生理状态、健康水平、药物疗效特别是中草药疗效等密切相关。

  “作为国际研究的热点,微生物组与心血管、免疫、精神,特别是肥胖、糖尿病等代谢性病相关。肠道菌群失调,是推动肥胖、糖尿病等代谢疾病发生与发展的重要因素之一。”刘双江介绍,当前各类微生物组研究中存在的普遍问题是,只知道相关性,不知道因果关系。科学家们还不清楚肠道微生物在人体内做了什么,它们的喜怒哀愁与人类的生老病死是什么关系,大规模人群的健康预防应该怎样着手也还没弄清。

  相关性是发现机理的基础,掌握机理后才能发展科学调控干预的办法。刘双江说,科学上新的调控策略和干预手段的发现,除了解决科学问题,还能创造新的技术和应用,帮助人类社会健康发展。

  有科学家猜测,中药与肠道微生物之间关系非常密切,它被认为是一种前药,经过肠道微生物“加工”后发生效果,而其药效又是通过影响肠道微生物实现的。目前虽然有一些证据佐证,但发扬和光大中国的中草药事业和产业,需要更多的科学证据。

  “通过中科院微生物组计划,有望将中药与肠道微生物之间的作用机制阐释清楚。”刘双江透露,中科院微生物研究所刘宏伟研究员团队,在对灵芝的研究中发现了“抗代谢综合征新药分子GA7”,具有减肥、降糖、降脂和心血管保护多重药理作用;其作用机制,与肠道微生物有关。这一自主知识产权的新药候选分子,已于2017年7月转让给企业做临床研究。

  弯道超车

  明晰国家层面的研发路线图

  正是由于微生物组在推动科学和技术进步中的潜在价值和重要意义,美国、加拿大等国家和欧盟先后启动各类微生物组计划或项目,聚焦微生物组研究。

  2007年底,美国国立卫生研究院宣布投入1.15亿美元启动“人类微生物组计划”,以解析微生物菌群结构变化对人类健康的影响;2016年,美国启动国家微生物组计划,意在开发微生物的潜在应用。

  欧盟在微生物组方面的前瞻布局也不甘人后,2008年,斥资2120万欧元启动人类元基因组计划;2016年,“肠道微生物组学联合行动计划”出炉。

  “中国在微生物组领域的研究并不晚,2007—2014年间,973和863计划投入7000多万元,分别攻关肠道微生态的基础研究和技术研究。”在刘双江看来,我国在微生物组研究主要聚焦人体,当前必须把微生物研究提高到国家战略高度,“中国在微生物资源、生态环境多样性、人群多元化、中草药医疗健康等方面,具有优势和特色,但没有统筹布局研究计划和项目,要从国家层面强化微生物在解决人类健康、环境保护、能源等重大问题方面的作用。”

  值得注意的是,2017年7月,50多位院士专家支持中科院微生物所的倡议,向国家建议尽快启动中国微生物组计划,并得到积极回应。

  而在2016年12月召开的香山科学会议第582次学术讨论会上,与会专家达成共识,认为“是时候启动中国自己的微生物组计划”,以使我国在这一战略必争领域占据有利态势。

  “缺乏总体系统设计,这是我国微生物组研究面临的一个核心问题。”赵国屏一席话道出与会者心声。目前我国微生物组研究尚未实现对重大问题跨领域、跨部门的联合作战,在资源与数据方面没有真正实现共享。同时,在研究方法和技术方面,学科交叉不够,大数据处理和分析技术欠缺,更缺乏相关人才。

  2017年,刘双江和赵国屏在中国科学院院刊发表题为《中国微生物组计划:机遇与挑战》的文章,提出了部署中国微生物组计划“国家需求导向、科学假设驱动、技术创新支撑”的基本原则,并建议设立中国微生物组计划国家重点研发计划。希望通过中国微生物组计划的实施,主导国际大科学计划并强化我国在相应领域的话语权,显著提升我国科技创新和科技成果转化能力,催生一批基于颠覆性技术的战略性新兴产业。

  “中科院微生物组计划的实施,希望能初步阐明肠道微生物与宿主营养代谢的关系和机制;获得若干个能够用于家养动物肠道免疫调控的关键功能菌群,发展新的养殖模式如少用抗生素等。”刘双江说,届时将更多收集、挖掘微生物组数据,培育和壮大微生物组研发的人才队伍,为中国微生物组计划的实施打下基础。刘 垠