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2018
02-23

嘿,奥巴马,我们可以有一个统一的微生物组织倡议?


细菌和其他微生物已经统治了至少35亿年的地球,但只有在上个世纪我们才开始欣赏他们的统治地位。我们现在知道,每个环境都有自己看不见的社区 - 它自己的微生物群。土壤中的微生物驱动碳和氮等重要元素的行星循环。海洋中的微生物产生大部分我们呼吸的氧气。我们体内的微生物能够建立我们的器官,保护我们的健康,甚至可以控制我们的行为。

感谢这些启示,微生物已成为时尚。他们引起了杂志编辑,图书作者,博物馆馆长和纪录片制作人的注意。现在,他们甚至冲进了椭圆形办公室。

2013年,奥巴马总统任命现代微生物科学领域的先驱Jo Handelsman为白宫科学和技术政策办公室科学副主任。去年,Handelsman在Kavli基金会的支持下,先后与科学家,后来包括资助机构和行业代表一道,为Kavli基金会的三次研讨会提供了便利,以确定微生物组剩余的大部分秘密,并找出解决方法。

其结果是由一群领先的微生物学家撰写的一项提案,用于统一微生物组织倡议(UMI),这是一项全国性协调努力,旨在开发真正解开微生物世界秘密所需的工具。它将为微生物做什么BRAIN Initiative为神经科学做了什么。

“我们试图理解细菌,真菌和病毒如何在任何情况下组织自己,沟通和处理世界的核心原则,无论是在人体还是在土壤中,”大学的杰克吉尔伯特说。芝加哥。有了这些知识,微生物学家希望更好地利用微生物生产医疗药物和生物燃料,刺激作物生长,并治疗从糖尿病到过敏的所有疾病。 “我对此非常感兴趣,”吉尔伯特补充道。

UMI的理念是建立在两大支柱 - 更好的技术和更多的合作基础上 - 从340年前诞生以来,已经推动了微生物学的发展。

我们先来谈谈这些工具。 1675年,荷兰皮革厂Antoni van Leeuwenhoek成为第一个在手工制作当时最好的显微镜后看到细菌的人。在19世纪后期,科学家开发了用于种植微生物的实验室技术,包括来自土壤和水等自然环境的微生物 - 现在,他们可以与虫子一起工作,而不是仅仅观察它们。在二十世纪五十年代,罗伯特·霍纳特创造了一种在氧气存在下退缩的细菌生长技术,这使得研究动物内脏的众多问题变得更加容易。在20世纪80年代,Norm Pace,Ed DeLong和其他人开发了通过基因鉴定细菌的技术,而根本不需要培养细菌。

这些创新中的每一项都剥离了微生物世界的另一层 - 但许多层保持隐藏。加利福尼亚大学洛杉矶分校的Jeffrey Miller说:“我们获得了大量的基因,但大约有50%是未知的。同样,98%的微生物产生的化学物质是未知的。 “我们正试图将一个非常复杂的难题放在一起,只有一小部分。”

我们需要更好的方式“更好,更快,更便宜地阅读微生物群”,加州大学圣地亚哥分校的Rob Knight说。迭戈。这些技术包括分析特定微生物的全基因组,他们接通的基因,他们制造的蛋白质和他们产生的分子。 吉尔伯特也渴望可以追踪分子的工具,因为它们在微生物之间或者甚至在单个细胞内实时地匆匆而过。

新技术也将有助于纠正有关微生物群研究的最常见(也是最有理由的)投诉:在编目中它主要是不准确的练习。科学家通常会列出并比较健康和患病肺部的微生物,但他们无法说出微生物是否导致了疾病,反之亦然,或者两者都不是。 “这几乎都是相关的,”米勒说。 “我们缺乏因果关系,严谨的假设 - 伪造科学。”

这可以通过更精确的方式来改变 微生物组学 - 添加,去除,编辑,刺激和阻断特定细胞或物种。目前,这种操作依赖于抗生素等钝器。 “他们就像是核弹,”吉尔伯特说。 “我们想要狙击手。如果我可以采取人体肠道样本并选择性地杀死个体生物体或关闭个体代谢,那么这将有助于我制定出特定的生物体,基因或代谢物的功能。“

利用这些技术,UMI大脑信任预计在十年内,微生物学家将能够建立准确模拟微生物群落的计算机模型,并预测它们将随着时间的推移而发生变化。 “想象一下,智能牙刷会告诉你,你是否会得到龋齿,或者从你的皮肤上的一块补丁,会说如果你会得到皮炎,”奈特说。 “而不是告诉你现在你的微生物群是在哪里,我们可以预测它将来会在哪里,以及你如何亲自修改它。”

所有这些都将取决于微生物群研究者之间的更多合作 - 第二个主题UMI。目前,该领域正在增长,但分散。至少有17个联邦资助机构正在向微生物项目投入资金,两者之间的协调很少。同样,数百名科学家纷纷涌向这个领域,其中许多人正在运行一些针对相同问题的小型项目。

这一群热心的研究人员也将自己围堵在不同的筒仓中。研究动物微生物组的人参加不同于那些从事人类微生物群体研究的人的会议,他们不与土壤或水人交谈。这些是反映了动物学,医学,生态学和其他科学学科之间历史差异的人为边界;从微生物的角度来看,他们没有任何意义。人类,植物,河流和大草原都是另一种生态系统,在这种生态系统中应用了相同的生活规则。通过分割我们,我们错过了这些相似之处。

微生物群落聚集在新生婴儿身上的方法有教训,可以教我们关于焦化森林。溢油事故后反弹的海洋微生物可以反映口腔微生物对牙齿刷牙的强烈反应。夏威夷鱿鱼中的发光细菌之间的交流可能会告诉我们关于覆盖人体肺部或工业废物管道或医院导管的日益增长的社区。如果我们理解这些过程背后的原则 - 汇编,抵御能力,沟通等等 - 我们可以更好地照顾那些没有从正确的社区开始的早产婴儿,或者恢复被破坏的生态系统,如休耕大草原和抗生素攻击的胆量,或者开发有意识地为我们的建筑和生活空间播种有益微生物的方式。

要做到这一点,研究微生物群的人需要以新的方式联合起来。历史也是一个先例。我们知道,由于化学家理查德·库恩(Richard Kuhn)和儿科医生保罗·吉尔吉(Paul Gyorgy)之间的合作,母乳中含有的糖类可以滋养婴儿的第一个微生物。由于动物学家Margaret McFall-Ngai和微生物学家Ned Ruby之间的合作伙伴关系,我们知道炽热的细菌 Vibrio fischeri 与可爱的夏威夷b鱼鱿鱼签订独家合同。研究哺乳动物肠道发育的杰夫·戈登在与像计算机专家罗布·奈特和微生物生态学家鲁思·莱这样的同事合作后,展示了微生物如何导致肥胖。

这些趋势必须继续。 “我们需要引进工程师,物理学家,数学家和化学家来开发新的方法,”McFall-Ngai说。

Gilbert说:“我们要做的就是像物理学界几十年前做的一样 - 想象很多迷你CERNs,我们不会只有一个机构发布一个征求建议书,我们所有人都争先恐后地拿出一块馅饼,我们不会有太多的并行改造方案。“

UMI还会为收集和分析数据设定标准。”没有这些, “Knight说,”我们需要一个坚实的基础,而不是我们目前拥有的流沙。“

这些雄心并不仅限于美国,在随行电话中对手,McFall-Ngai, 与德国和中国的同事一起,建议UMI应该成为IMI--一项国际微生物组织倡议。 “微生物没有边界,”她说。 “这些问题影响到所有大陆。这是我们作为人类需要通过统一战线来应对的事情。“