美國啟動“國家微生物組計劃”
2016年5月13日，美國白宮科學和技術政策辦公室（OSTP）與聯邦機構、私營基金管理機構一同宣布啟動“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域的實際應用，包括環境治理、糧食生產、營養與醫學研究等。鑒于微生物組研究在各個不同應用領域已經證實的和潛在的價值。時隔一年，美國終于捷足先登，率先開展這項大計劃！
根據白宮公布的信息顯示，新研究計劃關注的方向主要包括如下幾個方面：支持跨學科研究，解決不同生態系統微生物的基本問題；開發平臺技術，對不同生態系統中微生物組的認識以及知識的積累，并提高微生物數據的訪問；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、國立衛生研究院、美國國家科學基金會、農業部都公布了相應的研究方向。這些部門將一起展開環境微生物的研究，構成NMI的研究系統。美國政府以往每年會投入3億美元花在微生物研究上，NMI計劃將會令這一領域的經費增長1.21億美元。作為對白宮這一舉措的回應，投資者以及科研機構會跟進4億美元的資助（簡評：其實這些錢真心不多，中國跟進肯定是數倍的！但是官方的態度是最重要的）。
NMI計劃將給我們會帶來什么？這是一個很難回答的問題，如果將與人類相關的所有環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、環境以及我們自身的態度。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（HMP）和MetaHIT。HMP計劃是由美國國立衛 生研究院啟動，旨在收集跟人體相關的所有微生物，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系。
微生物組里程碑性事件
2011年，“地球微生物計劃”（Earth Microbiome Project）啟動，該計劃旨在通過對全球典型的環境樣本進行宏基因組測序，包括土壤、海洋、空氣、淡水等生態系統，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（Craig Venter）可以說一直走在時代的前沿，其創立的克雷格·文特爾研究所（J. Craig Venter Institute）早在2004年就發表了關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，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！
2014年11月15-19日，在美國神經生物學協會年會上，科學家們還專門發起了一個論壇叫“腸道微生物和大腦：神經科學的典范轉移”，表明神經科學基本理論正在發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，2015年，生物谷率先在國內舉辦腸道微生物領域的學術會議，進一步推動國人對腸道微生物的關注程度，2016年是第二屆。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（American Academy of Microbiology, 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文章，引發高度關注。把腸道微生物從科學領域推向公眾領域，引發更多學者的關注。
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”，這些不遺余力的推動與呼吁，推動了中國微生物組領域的快速發展。
什么是微生物組？不可思議的微生物
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(Antonie van Leeuwenhoek) 發明顯微鏡開始，微生物逐漸被人們科學地認識，曾經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在地球上，它們無孔不入、無處不在。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
微生物對人類的重要意義
微生物組（Microbiome）是指一個特定環境中的微生物群，它們生活在一定環境空間，相互影響并彼此平衡，從而形成了相對穩定的生態環境。微生物不僅能保持生態系統的健康功能，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，如肥胖、糖尿病、哮喘等。它們在農業生產力、生物燃料的生產以及食品加工等領域也發揮重要作用。
事實上，人類對微生物最早的認識，可能是食用發酵變質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酵生產易于消化的食物，如面包、醋和酒類等。自200年前發酵工業興起之時，人們開始大規模使用工業微生物，其中著名的是酵母菌以及生產各種抗生素使用的工業菌。利用微生物生產阿片類藥物 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，基于工業微生物的發酵工業產值已經超過4000億元，而且人類對工業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。雖然很多微生物是人類的致病原，但我們也應看到，它們也可產生像青霉素這樣的抗生素。隨著科技的發展以及知識的更新，人們逐步利用微生物來生產疫苗、抗生素等，幫助人們戰勝傳染病。
腸道微生物是近些年的研究熱點，它們寄生在人類腸道中，數量是我們自身細胞的數倍。雖然人類很久以前就已了解到腸道微生物跟人類的關系密切，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聯，腸道菌群既可控制人類的情緒，還影響我們對食物的喜好。在人體免疫系統方面，研究者發現它們在免疫發展的過程中起到重要作用。微生物還與人體呼吸性疾病、衰老以及癌癥關系密切。在藥物使用方面，研究者也在關注腸道微生物與抗生素、免疫治療的關系。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，讓人們可以觀察微生物的形態。隨著各種微生物培養技術的成熟，人們可以對微生物持續的觀察，并根據形態等特征進行分類。DNA 測序和分子遺傳學的發展，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（Next Generation Sequencing，NGS）的出現則讓大量鑒定微生物成為可能。最近5年，微生物組的研究經常是頂級學術雜志的常客，甚至每一期的雜志都有微生物群落 的論文發表。
但對于地球上究竟有多少種微生物這一基本問題，至今依然沒有人能給出具體的答案。不僅因為微生物的數量龐大，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－恩蓋告訴新華社記者，當今這個時代人類面臨的挑戰，包括養活眾多的人口、生產可持續的能源、保護環境或減緩對環境的破壞，以及人類健康，都與生物學相關，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”等環境問題，從農業生產到氣候變化，或多或少都與微生物組相關聯。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的實驗室繼續搞研究。
根據白宮公布的計劃，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”聯邦專項資金作為啟動資金。除了聯邦機構外，還有數十所大學和研究機構將加入“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。
總體上，“國家微生物組計劃”有三大目標：首先，支持跨學科研究，以回答多樣化生態系統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工作人員。
微生物組科技必將引發新一輪產業變革
從科學發展角度來看，為揭示生命奧秘和生態圈運動規律，已經到了必須從系統科學理論的基本觀念出發，搞清楚微生物群體活動的微觀機制與宏觀生命現象聯系的時候。從技術驅動看，已經開展的各類微生物組學科技項目已經促進核心技術演化到關鍵階段，證明系統科學理論提倡的“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業價值和生態價值。已證明，動植物體內、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，與全球氣候變化的動態平衡，與生態圈、地球圈的可持續發展等密切相關。搞清楚微生物組的功能和作用，對目前人類遇到的健康、農業和環境等領域全局性問題，將提供一種新的具有全局性視角的技術解決方案，再配上合適的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先領域，比如精確醫學、可再生能源、農業與氣候變化等，都與微生物組有“強烈關聯”。
事實上，得益于低成本高通量基因測序技術的發展、計算和成像技術的改進，以及用于數據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展為促進經濟增長的一個新興學科。
“過去幾年我們看到這個領域的新公司如雨后春筍般在全美涌現，一些公司做得非常、非常成功，”漢德爾斯曼對與會者說，“我們認為未來是微生物的時代。國家的發展將依靠在微生物組及相關科學方面的偉大技術與創新。”
美國政府一直在微生物組領域進行投資。早在2007年，美國國家衛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展奠定了基礎。
近幾年，美國政府對微生物組領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財政年度在該領域的聯邦投資是2012財政年度的3倍，最近3年間的聯邦投資總額超過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，她在白宮官網的一篇博客中推介說：“如果有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一，使得數據難以比較及整合，這種“碎片化”現狀造成資源的極大浪費。
為此，趙立平聯合麥克福爾－恩蓋及一名德國微生物學家于去年10月在英國《自然》雜志發文，共同呼吁盡快啟動“國際微生物組計劃”。與此相呼應，近20名美國科學家同時在美國《科學》雜志上發出類似提議，建議開展“聯合微生物組研究計劃”。
趙立平告訴記者，他們現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年內從民間籌集2億美元的投資，集中攻關糖尿病。
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、承擔領導角色的國家之一”。
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