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小小微生物竟是重要戰略資源?


錄入時間:2023-11-30 10:38:38
2023年世界微生物數據中心(WDCM)年會日前在深圳舉辦,會上啟動了全球“未培養微生物培養組”計劃。在當今世界,微生物被視為一種重要的戰略資源,該計劃的啟動對于微生物資源的可持續利用具有重要意義。

那么,小小微生物與戰略資源有何關系?“未培養微生物培養組”計劃對微生物資源的可持續利用又有什么重要意義?我們今天請中國科學院微生物研究所工程師王科來聊聊這個話題。

在科學界占據重要一席

我們首先需要深入了解一下地球上的微生物,才能理解它為什么會受到科學家的青睞,又為什么能夠在當今科學界占據如此重要的一席。
在地球上,除了大家所熟知的動植物之外,還有另一個重要的生物類群——微生物。顧名思義,微生物的主要特點就是微小,它在科學上的定義是:肉眼難以看清,需要借助光學顯微鏡或電子顯微鏡才能觀察到的一切微小生物的總稱。當然,這個概念也不是絕對的,2022年有科學家在加勒比海地區發現了比果蠅還要大的細菌,還有蘑菇,它們是真菌的子實體,而真菌也屬于微生物。
微生物囊括了地球生命之樹的多個生物類群。從真核生物中的真菌、原生動物和顯微藻類,到原核生物中的細菌、放線菌和原核細胞型微生物支原體、衣原體等,再到沒有細胞結構的病毒和亞病毒,它們都屬于微生物的范疇。
微生物雖然個體微小,其作用卻很大。38億年前,微生物作為最早的生命體出現在地球上,并逐步進化成為復雜和多細胞的生命體,最終演化為動植物及人類。人類本身對于微生物而言既是一個寄主也是一個共生體,在人體內的微生物數量多達數百萬億個,總重量可超過1公斤,其中有共生的腸道菌群,也有可能帶來疾病的致病寄生菌。有益細菌可以幫助我們消化食物、合成營養素、維護腸道健康、調節免疫系統等,還可以防止有害細菌的侵入和繁殖。
在如今的地球生物圈中,各類生物各司其職,而微生物扮演著“分解者”這一重要角色。它們可以把動植物遺體、糞便等復雜的有機物質逐步分解為簡單的無機物,最終以無機物的形式回歸到環境中,成為植物等自養生物的營養物質!胺纸庹摺弊鳛樯鷳B系統的必要組成成分,維持著生態系統的物質循環,以保證生態系統結構和功能的穩定。如果沒有微生物,動植物殘骸將淹沒地球,各類營養物質不再參與循環,地球生態系統終將崩潰。
微生物對于地球生命起源和生物圈有著不可替代的作用。雖然人類對于微生物的認識和研究僅有300多年,但小小微生物已經為人類的生產生活帶來了巨大影響。
在科技前沿展示重要戰略潛力
微生物在食品、藥物、工業、材料等多個領域也發揮著重要的作用。習近平總書記在2022年全國兩會期間曾提出:“發展生物科技、生物產業,向植物動物微生物要熱量、要蛋白!蔽⑸镏械恼婢褪翘烊坏募Z倉和優質蛋白質的來源。比如,香菇、木耳、牛肝菌等種類多樣的可食用真菌,不僅味道鮮美,還是一類高營養、高蛋白、低脂、低糖、富含維生素和微量元素的健康食品;從真菌和放線菌中提取出的抗生素,在二戰期間挽救了數百萬人的生命,成為人類對抗細菌性感染病的良藥;在工業上,微生物發酵技術為人類帶來了面包、醬油、腐乳和醬等食品和調味料,生產出酒精、丁醇等生物燃料,一些微生物制劑和代謝物還可以用作綠色的生物農藥。
相對于地球上龐大的微生物家族而言,雖然科學家已培養的微生物種類十分有限,但仍然不妨礙這些微生物資源成為現代生物技術研究以及生物產業發展的重要基石。它們在食品、醫藥、肥料、飼料、發酵、輕化工、環境保護、紡織、石油、冶金等領域均有廣泛應用,所產生的經濟和社會價值難以估量,是保障國家糧食安全、生態安全、能源安全等的重要戰略資源儲備。
目前,微生物已經在科技前沿展示了重要的戰略潛力。
在微生物生理代謝過程中會產生各種不同的酶,酶可用于催化各類理化反應。比如,檢測病毒感染所用到的核酸檢測技術,這個實驗要在高溫下完成,而普通的DNA聚合酶會在高溫下失活,科學家從高溫熱泉中發現的微生物完美解決了這一問題,因為熱泉微生物體內的各種生物酶在高溫下仍能夠保持活性。
利用微生物生產燃料,被看作是解決未來能源危機的一個重要突破口。我們都知道酵母菌可以在無氧條件下,通過體內的酶系統產生乙醇。當前用來生產乙醇的原料主要是甘蔗、馬鈴薯、高粱等農作物,若大量生產乙醇,會影響到人類的食物來源。而一些木酶、曲霉等微生物體內有纖維素酶,可以把樹枝、樹葉、稻草、糠殼等分解為葡萄糖,再由酵母菌制造乙醇,由于這一過程的原料都來自綠色植物,所以其生產出來的乙醇也被稱作綠色汽油。
作為“分解者”的微生物,除了能降解腐殖質、動植物遺骸和糞便,甚至還可以降解塑料。近年,科學家從垃圾場中發現了一種可以“吃”塑料的細菌,研究發現這種細菌體內可產生一種能分解PET塑料(常用于服裝和飲料瓶)的酶,若能提高這些酶的降解效率,白色污染的治理難題將不再困擾人類。
還有真菌,在生長過程中會形成一種叫做菌絲體的營養結構,不僅黏合力超強,還有很高的可塑性和可模壓性,使其具有用作新型材料的潛力,現已成功被開發用于包裝材料、服裝、運動鞋、絕緣材料、房屋建材等多種用途。這種新型材料可用來代替塑料、皮革、聚苯乙烯等難降解、易造成環境污染的傳統材料,其天然可降解的特點非常符合當前社會注重環保和可持續發展的要求。
總之,在生物技術高度發展的今天,生物資源已經成為一個國家重要的戰略資源,也是衡量國家綜合國力的指標之一。因此,制定合理的生物資源保護策略,加強對生物多樣性的保護、維持和可持續利用,關系到國民經濟發展和社會穩定,關系到國家主權與安全。
為何“99%的微生物物種未被培養”
微生物單個個體十分微小,且在環境中總是多種微生物混雜在一起生存。若想對某一種微生物開展深入的生理、代謝、應用等研究,就得先對它進行單獨培養。
作為一類異樣生物(又稱外養生物,指不能自己合成有機物,須以外源有機物為食物的生物),微生物的生長與繁殖離不開外界的營養,所以,培養微生物首先就是為其準備適宜生長的培養基。由于微生物種類繁多,不同類型的微生物所適宜的培養條件也不一樣,比如,以牛肉膏和蛋白胨為主要成分的培養基適合細菌生長,而多數真菌更偏愛以馬鈴薯和葡萄糖為主要成分的培養基。研究人員將環境樣品(如土壤、水、腐殖質等)溶于無菌水后稀釋到不同的倍數,均勻涂在培養基表面,密封之后在特定溫度、光照、濕度等條件下進行培養。一般幾小時到幾天之內就能看到微生物菌落,微生物就初步培養成功了。
然而,微生物的培養不是一件容易的事。
目前,地球上已經被描述和認知的原核微生物僅有1.5萬種,而科學家對于地球上可能存在的原核微生物物種的數量,尚未達成共識,按照不同的估算方法,估計數量從幾萬到1萬億不等,數量級差可達億級?茖W家對于真核微生物中的真菌多樣性研究相對充分,地球上真菌物種的保守估計數量為220萬至380萬種,已被認知的真菌有15萬種,不及估計數量的6%,其中能夠人工培養的真菌遠不及十分之一?傮w來看,我們對于微生物的認知僅是其冰山一角,“99%的微生物物種未被培養”這一說法毫不夸張。
豐富的物種多樣性同樣意味著微生物適生環境、生長代謝條件的多樣性,也為微生物的針對性培養帶來了困難。
首先,人類對微生物多樣生長環境的認識無法窮盡,因此在實驗室不能完全模擬其生長的原生生態環境,使得某些微生物生長所必需營養元素及生物小分子信號物質在培養基中得不到補充,從而導致目的微生物無法正常生長。還有一些微生物生長于極端環境,如缺氧、高/低溫、高/低鹽、深海、鹽堿地、冰川和洞穴等。當前,科學家還無法完全模擬這些環境條件及物理化學指標,往往只能抓住主要環境因子設計分離培養方法,從中分離出少部分極端環境的微生物物種。
其次,微生物在自然界不是單獨存在的,常以群落形式存在,每個微生物群落會包含多個物種甚至多個類型的微生物,各自的生長速率存在較大差異。在分離培養微生物時,同樣的培養基及培養條件下,快生長的微生物會迅速富集、大量繁殖,占據較多的生長資源,成為培養基上的優勢物種,從而擠占和抑制其他慢生長微生物的生存空間,使其難以大量繁殖形成足夠規模的菌落,無法被科學家檢測出來。
此外,微生物還普遍存在著休眠策略,在處于不利環境條件時進入可逆的低代謝活動狀態。也就是說,若無法模擬出適合其生長的條件,就無法使其從休眠狀態中復蘇,更別提培養了。
以上多個方面的因素,都是科學家正在面臨的微生物培養難題。究其原因,就是無法滿足微生物適宜生長的外界條件,從而使其無法正常生長和繁殖。為了突破這一瓶頸,科學家已經做出很多嘗試,一是改良傳統培養方法,比如在培養基中添加特定的微量元素、群落相互作用的小分子、生物信號等小分子物質以促進微生物的生長,同時盡可能模擬其在自然生長環境中的含氧量、酸堿度、溫度等外界條件。二是設計新方法、新技術來培養微生物,比如適用于培養“群居”微生物的共培養方法、保留其自然生態環境的原位培養技術、將樣品中不同類型微生物進行篩選分離而后針對性培養的細胞分選技術等。
不過,無論是改良傳統方法,還是設計新培養方法,由于操作復雜、實驗周期長、設備昂貴等多種因素,是無法針對萬級甚至億級數量的微生物普及使用的。
DNA測序推動微生物科研創新
微生物資源如此重要,人工操作的培養方法又無法在大多數微生物上普及使用,那么有沒有其他可以普及的方法呢?科學家認為,信息技術可以為發掘未培養微生物提供新的思路和可能性。
發明于上世紀70年代的DNA測序技術使科學家得以獲取生物體的遺傳信息、識別功能基因、研究遺傳變異等,并迅速在醫學、農業、生態學等領域廣泛應用。到了本世紀初,傳統測序技術經過改良發展成為新一代的高通量測序技術,可以一次并行對大量核酸分子進行平行序列測定,從而快速獲取多個生物體的遺傳物質。同樣的,通過高通量測序技術對環境樣品進行測序,可以快速獲得其中各種微生物的DNA序列,包括未被培養的微生物物種。
一旦拿到了測序所獲得的海量序列和數據,通過海量數據比對和基因組學研究,比如將未培養物種與已培養物種的功能基因相對比,來判斷某種未培養微生物可能的適宜生長條件,就可以借助人工智能模型展開分析,對某種微生物的培養條件進行預測和數字模擬。下一步,針對性地配置培養基和設計培養條件,來促進某種特定微生物的生長。
當以上環節順利完成,就可以快速、大量發現和描述微生物新物種,極大拓展可培養微生物的物種范圍,從而獲得大量具有重要應用價值的微生物種質資源和數據,為合成生物學研究提供重要功能元件,使微生物更充分地發揮其戰略資源價值。
基于上述全新的研究思路和方法,此次舉辦的世界微生物數據中心年會正式啟動了“未培養微生物培養組”計劃。這一計劃將集合全球微生物學者的力量,開展廣泛的宏基因組測序,從中獲得海量高質量的微生物基因組及表型數據,不斷完善和優化人工智能模型,建立大數據和人工智能指導下的精準培養體系,通過深度融合生物技術/信息技術,實現微生物領域科研模式的創新和突破。

讓我們期待微生物世界的神秘面紗逐步被揭開,有害微生物能夠得到有效防治,有益微生物也能夠更多地被發現從而造福人類。


來源:北京日報

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