兩年三千萬，深挖微生物“黑科技”

劉垠

“項(xiàng)目執(zhí)行期為兩年，總投入三千萬元人民幣，14個(gè)研究單位、30個(gè)研究團(tuán)隊(duì)投身其中。通過這一‘種子計(jì)劃的實(shí)施，為‘中國微生物組計(jì)劃做好預(yù)研工作。”在1月12日接受筆者采訪時(shí)，中國科學(xué)院微生物研究所所長(zhǎng)劉雙江研究員說，希望在人類代謝性疾病并發(fā)癥和中草藥調(diào)控腸道微生物方面有所突破，相關(guān)成果可為人類面臨的健康、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等問題提供解決方案。

劉雙江所說的“種子計(jì)劃”，是指2017年12月20日啟動(dòng)的“中國科學(xué)院微生物組計(jì)劃”。項(xiàng)目由中科院微生物研究所牽頭，整合中科院上海生命科學(xué)研究院等中科院下屬研究所和北京協(xié)和醫(yī)院14家機(jī)構(gòu)，聯(lián)手攻關(guān)“人體與環(huán)境健康的微生物組共性技術(shù)研究”。

那么，何為微生物組，它和人類的生存與發(fā)展有什么關(guān)系？與國際巨頭同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)，我國微生物組路線圖如何規(guī)劃？筆者就此展開采訪。

超乎想象

孕育解決人類問題的關(guān)鍵技術(shù)

眾所周知，青霉素的發(fā)現(xiàn)延長(zhǎng)了人類壽命。挖掘、利用好一種微生物，帶來的福祉可不僅如此。

所謂微生物組，是指一個(gè)特定環(huán)境或者生態(tài)體系中全部微生物及其遺傳信息的總和。近年來，科學(xué)家們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到微生物組研究的重要性，認(rèn)為其孕育著解決人類面臨的包括健康下降、環(huán)境惡化等問題的關(guān)鍵技術(shù)和方案。

“微生物組在地球生態(tài)系統(tǒng)和人類健康中的作用超乎想象，它不僅將幫助人類克服當(dāng)今面臨的生存挑戰(zhàn)，還能提供未來的生存之道。”劉雙江說，人類認(rèn)識(shí)的微生物還不足1%，微生物群體及其功能的形成過程和機(jī)制，以及驅(qū)動(dòng)微生物群演化的動(dòng)力等在很大程度上還是一個(gè)“黑箱”。

中科院微生物組計(jì)劃，全稱為中科院“人體與環(huán)境健康的微生物組共性技術(shù)研究”，將為了解這些未知世界提供新的機(jī)遇，為呼之欲出的中國微生物組計(jì)劃的誕生發(fā)揮先導(dǎo)和引領(lǐng)作用。

中科院微生物組計(jì)劃下設(shè)5個(gè)課題，分別聚焦研究人體腸道微生物組、家養(yǎng)動(dòng)物腸道微生物組、活性污泥微生物組的功能網(wǎng)絡(luò)解析與調(diào)節(jié)機(jī)制，創(chuàng)建微生物組功能解析技術(shù)與計(jì)算方法學(xué)，以及建設(shè)中國微生物組數(shù)據(jù)庫與資源庫。

中科院院士、中科院上海生命科學(xué)研究院研究員趙國屏此前表示，微生物組研究是一個(gè)來源于應(yīng)用的課題，之前更多的是進(jìn)行微生物組結(jié)構(gòu)和表型的研究，隨著中科院微生物組計(jì)劃的實(shí)施，將更多地關(guān)注功能和機(jī)理研究，同時(shí)實(shí)現(xiàn)微生物組研究的共性、關(guān)鍵技術(shù)的突破。

聚焦健康

探尋“人類第二基因組”調(diào)控機(jī)理

中科院微生物組計(jì)劃，將聚焦人體腸道、動(dòng)物腸道和活性污泥微生物組相關(guān)研究，是基于國家需求、微生物組科技前沿和百姓需求而定。

腸道微生物群體是人體一個(gè)尚未被充分認(rèn)知的“器官”，腸道微生物基因組總和被稱為“人類第二基因組”。研究發(fā)現(xiàn)，人腸道中棲居多達(dá)1000種微生物，每個(gè)人腸道中平均有160種微生物物種，腸道微生物組基因數(shù)量是人體自身基因數(shù)量的數(shù)百倍，其細(xì)胞數(shù)量是人體自身細(xì)胞數(shù)量的10倍，這些微生物與人體生理狀態(tài)、健康水平、藥物療效特別是中草藥療效等密切相關(guān)。

“作為國際研究的熱點(diǎn)，微生物組與心血管、免疫、精神，特別是肥胖、糖尿病等代謝性病相關(guān)。腸道菌群失調(diào)，是推動(dòng)肥胖、糖尿病等代謝疾病發(fā)生與發(fā)展的重要因素之一。”劉雙江告訴筆者，當(dāng)前各類微生物組研究中存在的普遍問題是，只知道相關(guān)性，不知道因果關(guān)系。科學(xué)家們還不清楚腸道微生物在人體內(nèi)做了什么，它們的喜怒哀愁與人類的生老病死是什么關(guān)系，大規(guī)模人群的健康預(yù)防應(yīng)該怎樣著手也還沒弄清。

相關(guān)性是發(fā)現(xiàn)機(jī)理的基礎(chǔ)，掌握機(jī)理后才能發(fā)展科學(xué)調(diào)控干預(yù)的辦法。劉雙江說，科學(xué)上新的調(diào)控策略和干預(yù)手段的發(fā)現(xiàn)，除了解決科學(xué)問題，還能創(chuàng)造新的技術(shù)和應(yīng)用，幫助人類社會(huì)健康發(fā)展。

有科學(xué)家猜測(cè)，中藥與腸道微生物之間關(guān)系非常密切，它被認(rèn)為是一種前藥，經(jīng)過腸道微生物“加工”后發(fā)生效果，而其藥效又是通過影響腸道微生物實(shí)現(xiàn)的。目前雖然有一些證據(jù)佐證，但發(fā)揚(yáng)和光大中國的中草藥事業(yè)和產(chǎn)業(yè)，需要更多的科學(xué)證據(jù)。

“通過中科院微生物組計(jì)劃，有望將中藥與腸道微生物之間的作用機(jī)制闡釋清楚。”劉雙江透露，中科院微生物研究所劉宏偉研究員團(tuán)隊(duì)，在對(duì)靈芝的研究中發(fā)現(xiàn)了“抗代謝綜合征新藥分子GA7”，具有減肥、降糖、降脂和心血管保護(hù)多重藥理作用；其作用機(jī)制，與腸道微生物有關(guān)。這一自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新藥候選分子，已于2017年7月轉(zhuǎn)讓給企業(yè)做臨床研究。

彎道超車

明晰國家層面的研發(fā)路線圖

正是由于微生物組在推動(dòng)科學(xué)和技術(shù)進(jìn)步中的潛在價(jià)值和重要意義，美國、加拿大等國家和歐盟先后啟動(dòng)各類微生物組計(jì)劃或項(xiàng)目，聚焦微生物組研究。

2007年底，美國國立衛(wèi)生研究院宣布投入1.15億美元啟動(dòng)“人類微生物組計(jì)劃”，以解析微生物菌群結(jié)構(gòu)變化對(duì)人類健康的影響；2016年，美國啟動(dòng)國家微生物組計(jì)劃，意在開發(fā)微生物的潛在應(yīng)用。

歐盟在微生物組方面的前瞻布局也不甘人后，2008年，斥資2120萬歐元啟動(dòng)人類元基因組計(jì)劃；2016年，“腸道微生物組學(xué)聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃”出爐。

“中國在微生物組領(lǐng)域的研究并不晚，2007～2014年間，973和863計(jì)劃約投入7000多萬元，分別攻關(guān)腸道微生態(tài)的基礎(chǔ)研究和技術(shù)研究。”在劉雙江看來，我國在微生物組研究主要聚焦人體，當(dāng)前必須把微生物研究提高到國家戰(zhàn)略高度，“中國在微生物資源、生態(tài)環(huán)境多樣性、人群多元化、中草藥醫(yī)療健康等方面，具有優(yōu)勢(shì)和特色，但沒有統(tǒng)籌布局研究計(jì)劃和項(xiàng)目，要從國家層面強(qiáng)化微生物在解決人類健康、環(huán)境保護(hù)、能源等重大問題方面的作用。”

值得注意的是，2017年7月，50多位院士專家支持中科院微生物所的倡議，向國家建議盡快啟動(dòng)中國微生物組計(jì)劃，并得到積極回應(yīng)。

而在2016年12月召開的香山科學(xué)會(huì)議第582次學(xué)術(shù)討論會(huì)上，與會(huì)專家達(dá)成共識(shí)，認(rèn)為“是時(shí)候啟動(dòng)中國自己的微生物組計(jì)劃”，以使我國在這一戰(zhàn)略必爭(zhēng)領(lǐng)域占據(jù)有利態(tài)勢(shì)。

“缺乏總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這是我國微生物組研究面臨的一個(gè)核心問題。”趙國屏一席話道出與會(huì)者心聲。目前我國微生物組研究尚未實(shí)現(xiàn)對(duì)重大問題跨領(lǐng)域、跨部門的聯(lián)合作戰(zhàn)，在資源與數(shù)據(jù)方面沒有真正實(shí)現(xiàn)共享。同時(shí)，在研究方法和技術(shù)方面，學(xué)科交叉不夠，大數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)欠缺，更缺乏相關(guān)人才。

2017年，劉雙江和趙國屏在中國科學(xué)院院刊發(fā)表題為《中國微生物組計(jì)劃：機(jī)遇與挑戰(zhàn)》的文章，提出了部署中國微生物組計(jì)劃“國家需求導(dǎo)向、科學(xué)假設(shè)驅(qū)動(dòng)、技術(shù)創(chuàng)新支撐”的基本原則，并建議設(shè)立中國微生物組計(jì)劃國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。希望通過中國微生物組計(jì)劃的實(shí)施，主導(dǎo)國際大科學(xué)計(jì)劃并強(qiáng)化我國在相應(yīng)領(lǐng)域的話語權(quán)，顯著提升我國科技創(chuàng)新和科技成果轉(zhuǎn)化能力，催生一批基于顛覆性技術(shù)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

“中科院微生物組計(jì)劃的實(shí)施，希望能初步闡明腸道微生物與宿主營(yíng)養(yǎng)代謝的關(guān)系和機(jī)制；獲得若干個(gè)能夠用于家養(yǎng)動(dòng)物腸道免疫調(diào)控的關(guān)鍵功能菌群，發(fā)展新的養(yǎng)殖模式如少用抗生素等。”劉雙江說，屆時(shí)將更多收集、挖掘微生物組數(shù)據(jù)，培育和壯大微生物組研發(fā)的人才隊(duì)伍，為中國微生物組計(jì)劃的實(shí)施打下基礎(chǔ)。