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微生物组引发研究开发热潮 掌控人类幸福的重要因子
来源: | 作者:pmoecab63 | 发布时间: 2016-09-06 | 1644 次浏览 | 分享到:
核心提示:由美国、英国、中国等12国科学家参加的大洋钻探旨在打穿地球壳幔边界。1月16日,美国微生物学家在决心号大洋钻探船上分析微生。
欧洲航天局和俄罗斯联邦航天署于3月14日正式启动名为“火星太空生物”的合作项目。当日,“质子—M”运载火箭携带该项目轨道飞行器在哈萨克斯坦境内发射升空,轨道飞行器将在火星大气中寻找可能表明微生物存在的甲烷和其他气体。新华社发
  在地球生态系统和人类健康中,微生物组的作用超乎想象,加强基础研究与应用相结合,推进技术创新和产业升级,将创造未来新的经济增长点
  我们认知的微生物不到1%
  微生物对我们而言并不陌生。我们的祖先发明了酿造工艺,就是利用微生物的发酵功能,让我们的生活充满味道和更加丰富多彩。酱香醋滋润,酒醇豆腐香,都是微生物作用的结果。从传统酿造工艺到现代微生物发酵技术,我们自以为已经对微生物了解很多,比如我们知道了微生物是如何把糖变成了酒,又转化为醋。我们自以为还能够掌控微生物,比如我们能够操控和改造一些微生物产生特殊的代谢产物,提高其产量或者抑制其合成,为人类服务:例如,包括青霉素在内的、拯救了无数人生命的抗生素,通过改造生产菌种,使产量得到了成千上万倍的提高,惠及众生。
  但事实上,我们对微生物了解很少,我们甚至不知道在我们周围有什么样的微生物。从花园里抓一撮土,有几千种微生物;地球上的微生物细胞,远比天上的星星多得多;我们目前认知的微生物,不到1%;生活在我们肠道中的微生物细胞,是人体细胞的10倍!这些微生物的基因组之和,是人类基因组的100倍!微生物影响着并超越我们的生老病死:有一天,人死了,微生物却能永恒生存。除了近年来少量的有关糖尿病等与肠道微生物的关系外,我们完全不清楚肠道微生物(还有呼吸道微生物、体表微生物等)在人体内做了什么,它们的喜怒哀愁与我们的生老病死是什么关系。
  微生物组是指一个生态系统中全部微生物资源及生命信息,包括他们与其环境中生物和非生物因子之间的关系。早在1975年,科学家就用类似的概念来探讨白蚁肠道的微生物区系,但由于受当时的研究技术手段和对微生物认知的限制,没有形成重大的科学计划。2005年以来,世界许多国家先后不同程度上启动了微生物组计划或项目,如美国的人体微生物组计划和地球微生物组计划,加拿大的微生物组研究项目以及日本的人体元基因组研究项目等。2015年10月,美国一批科学家联合在《科学》杂志上发文,呼吁“联合微生物组研究计划”;与此同时,我国科学家会同美、德科学家,在《自然》上发文提出了实施“国际微生物组计划”的呼吁。美国日前宣布启动新的“国家微生物组计划”,引发了新一轮微生物研究和开发的热潮。
  微生物组世界1+1>2
  为什么微生物组能够引起国际上如此巨大反响和关注?1928年7月,科学家亚历山大—弗莱明正在凝视培养皿里的微生物菌落:一种菌落(青霉菌)抑制了另一种菌落(金黄色葡萄球菌)的生长,从此揭开了发现微生物合成抗生素的伟大时代。青霉素的发现,改变了第二次世界大战的进程,挽救了无数人的生命,并显著提高了人类普遍的寿命。一种微生物拯救了成千上万的个体生命,一群微生物能够拯救未来人类的生存。
  地球上的微生物物种粗略估计在百万数量级之上,目前发现和描述的只有数万种,绝大多数微生物物种及其功能还有待挖掘和认知。微生物生活在海洋和陆地的每一寸空间,组成海洋微生物组和陆地微生物组,参与物质元素的生物地球化学循环,影响全球气候变化;微生物与农作物(根际、叶表、植物体内)在一起,构成农作物微生物组,影响作物营养吸收、病害发生和作物产量;微生物降解污染物,消除黑臭,保障污水处理厂高效运行,净化水体;微生物还是污染土壤生物修复的主力军,农药、化工污染物、除草剂等主要是通过微生物降解作用得到消除,环境微生物组将为实施生态文明建设、提高环境质量的国家目标,提供资源和技术的保障。
  微生物组在地球生态系统和人类健康中的作用超乎想象,它不仅将极大地帮助人类克服当今所面临的生存挑战,还能提供人类未来生存之道,这其中有一个道理,就是微生物之间能够互相协作,使得它们在生态系统中更加稳定、更加有效发挥作用,并赋予微生物组(群)具有超越单个微生物的更为强大的功能。多环芳香烃是环境中重要的一类污染物,目前已经发现了能够降解多环芳香烃类化合物的微生物,一种微生物单独培养,可以降解多环芳香烃,但如果多个微生物在一起,其污染物的降解效率和微生物系统的稳定和适应能力都大大提高。
  我国传统发酵工艺多利用混合微生物菌群,例如年产值超过5000多亿元的制酒行业,在长达数百年的历史过程中有益微生物群被不断富集,逐渐形成各种风格的白酒酿造技艺。尽管科学上还没有准确的解释,但业界共识是,不同微生物群落之间的相互作用是产生不同风格白酒的重要基础,酿酒微生物场所提供了多种多样的微生物资源,可以从中发掘高效纤维素降解霉菌、高乙醇合成酵母、高效一碳化合物固定细菌等。作为新兴产业的生物农药和生物肥料,近年来正在蓬勃发展,从生物农药近10年国际上的发展情况来看,市场份额由2000年0.2%增长到2009年的3.7%,2010年全球生物农药的产值超过20亿美元,市场占有率达到4%左右。深入解剖土壤和农作物微生物组,可以有效促进传统发酵行业和新兴生物产业的健康发展。