能源、环境和健康问题是目前人类社会面临的重大挑战， 而微生物是解决这些问题的重要途径之一。地球上的微生物数量巨大，并且几乎无所不在。但是自然界中的微生物绝大多数并不是孤立存在的，它们通常以“微生物群落”（菌群）的形式共存，相互协同，适应环境的变化而繁衍不息；同时，它们的生命活动也对环境产生一定的甚至是深远的影响。

 

 

然而，由于自然界绝大多数微生物群落的成员尚不可培养，直接鉴定其遗传信息是目前最重要、最迅速的菌群结构与功能的认识方法之一。元基因组是指一定环境下整个微生物群落中的所有遗传信息的总和。元基因组数据的收集与分析克服了传统分离培养方法仅局限于群落中可培养组分（一般仅占1%）的缺陷，使挖掘、认识与利用不可培养的组分（即另外的99%）成为可能，使得我们可以全面地研究自然状况下微生物群落的结构与功能。

 

元基因组的解析一般分为两个层面。首先，使用细菌、古菌或真菌的特异性引物进行系统发育标记基因(如16S rDNA)的扩增，并通过测定这些基因序列来识别菌群的“物种”组分并定量其相对丰度。同时，通过测定微生物中的总基因组序列，用基因组上系统发育标记基因的多样性描述“物种”的多样性，以总基因组上所有基因及其在系统发育树上的分布来揭示“基因”的多样性、分布和功能。因此元基因组方法可以克服传统上基于微生物分离培养的方法局限性，能够比较客观、全面、快速地分析自然状态下微生物群落的结构和功能。它允许人类设计严密的科学实验来探讨一个重大的、根本的科学问题，即“在地球上形形色色由微生物群落主导的物质转换过程中，是物种的组成还是基因的组成在决定过程的功能”。

 

 

目前元基因组领域正在酝酿的一场革命来自于454、Solexa和SOLiD等新一代测序技术的引进。Sanger方法曾经是DNA测序的标准技术，但454、Solexa和SOLiD等新一代测序技术的开发使得测序的成本降低了两个数量级，而通量比Sanger方法提高了三个数量级以上（因测序技术而异）。因此新一代测序技术能够较经济地对复杂群落的元基因组进行高倍率的覆盖，而且与传统的测序方法相比，没有基因组序列读取上的倾向性，同时碱基也具有较高的准确性。因此，这些新一代元基因组学技术正在各个研究领域引领着深刻的变革。

 

生物能源领域。人类社会的迅速发展使得能源的消耗量以指数级迅速增长，传统的化石能源濒临枯竭，开发新型、清洁的可再生能源是解决这一问题的有效途径。目前生物能源的开发利用需要解决的主要问题之一是如何提高纤维素等生物质的转化效率。在自然界中，高效率的生物质转化是一个由代谢活跃的混合菌群完成的复杂过程。天然的单一菌种一般不具备完成整个过程所需的全部代谢步骤、基因或其辅助因子；同时，混合菌群的各成员之间也存在着代谢上、时间上或空间上功能的协同作用。因此，对自然界高效分解生物质的“生物能源菌群”的结构、功能及其运作机理的认识，以及在此基础上构建高效、稳定的人工菌群，已经成为提高生物质转化效率、最终实现生物能源经济的重要方向与思路之一。

 

众所周知，白蚁种群与其消化道中的多种微生物形成了专性的共生关系，而这种微生物在自然界中其他任何地方都是找不到的。尽管经历了近一个世纪的研究，科学界仍没有搞清楚在木质纤维素降解和转化的复杂过程中该宿主和其共生微生物各自的准确角色。研究人员对来自哥斯达黎加一个雨林的超过150只树生白蚁的肠道细菌作了一项元基因组分析。他们首先采集到了鼻白蚁属的白蚁，然后分离出胃肠道内容物。采样过程中重点选择体型较大的工蚁，它们有球状的头部和膨胀的腹部。在实验室里，研究人员用小镊子和解剖针分离出肉眼可见的白蚁后肠肠腔里的内容物，一共取得了165个样本，然后进行元基因组DNA的提取和制备，最后再进行测序。研究发现，像牛一样，白蚁有多个“胃”，每个“胃”都形成一个特定的环境，从而“孕育”了不同的微生物群落；而这些微生物在木材聚合物转化为糖类的过程中通过分工，各自承担一步或几步生物质转化的任务。

 

环境治理领域。在环境污染治理中，用微生物无氧消化技术处理有机垃圾和废水可以有效降低有机垃圾处理的费用。通过元基因组学方法研究废水处理反应器中的菌群结构，发现反应器中无法培养的陶厄氏菌属的菌种可以在缺氧条件下去除芳香族复合物和多环复合物，并且反应器中不同处理阶段的菌群组成有显著的差异。而且虽然废水相关降解途径已有广泛的研究，但是通过测序单一个体的基因组仍然发现了崭新的厌氧及好氧芳香族降解途径及更多潜在的并且降解范围更广的功能基因簇。因此解析反应器中复杂微生物群落的元基因组将为进一步理解反应器中功能基因和降解途径的多样性和进化，从而为阐明菌群的工作机制并提高反应器工作效率奠定基础。元基因组学的方法还可以应用到水和空气等环境的质量监控研究中。新加坡基因组研究所与美国能源部联合基因组研究所合作，用元基因组学的方法分析了城市建筑室内空气中的微生物组成。通过和周边环境的土壤微生物元基因组比较，发现了室内空气的元基因组的独特性，从而为未来自然或人工环境中的空气质量监控等提供了数据基线和崭新的视角。

 

健康领域。2003年，“人类基因组计划”的提前顺利完成使得基因组的研究进入了一个崭新的时代。科学家期望能从人类基因组的天书中解码生命的奥秘，但是越来越多研究表明，人体的生理代谢和生长发育不仅受自身基因控制，有很多现象，比如对疾病的易感性、药物反应等，无法全部用人体基因的差异来解释。这是因为，人体内生活着大量“亲密的陌生者”——人体的共生微生物，它们的组成和活动与人的生长、发育和健康息息相关。圣路易斯华盛顿大学医学院的研究人员通过将人体肠道菌群移植入无菌小鼠的肠道中发现，通过改变饮食，小鼠体内的微生物群落会在很短时间内发生改变（约一天），包括基因的表达和代谢产物的变化。他们的研究证实，不同鼠（人）的肠道菌群是有差异的，但是这种差异主要由不同的饮食决定，而饮食导致的菌群结构的变化可以遗传。 研究还发现，肥胖小鼠肠道菌群中Firmicutes 比正常小鼠显著增多，而Bacteroides则明显减少；当肥胖小鼠的肠道菌群被移植入无菌小鼠后，后者尽管食量明显下降，但两周内体重增加47%。这些结论揭示了看似“默默无闻”的人体共生菌群对于人类保健和健康的潜在意义。因此元基因组学研究结果将在人类健康领域发挥积极而深远的影响。

 

 

中国科学院青岛生物能源与过程研究所重点面向国家能源、资源与环境等重大战略需求，开展生物能源与生物过程领域基础性、战略性和前瞻性研究。微生物群落的生命活动是自然界几乎所有重要生物过程的基础或源头，因此元基因组学是研究所重点发展的研究方向和平台技术之一。 研究所拥有完整的第二代高通量测序体系（包括454 Titanium, Solexa GA-IIx等）及10万级洁净间，还有包括运算速度3 Tera flops，存储和备份容量200 TB的超级计算机群。针对元基因组数据的多来源性、多形式存在性、数据的异构性、分布式产生而集中性比较、质量评价体系不成熟、极端高通量且存储要求迅速增长等特性，专门建立的生物信息学平台涵盖了元基因组原始数据质量评价工具、高通量与多维化元基因组分析与比较方法以及群落数据可视化工具等核心分析环节。这一技术平台体系能实现大规模、高通量、高度自动化的元基因组数据收集和分析，正运用于土壤菌群、瘤胃菌群、白蚁肠道菌群、人体口腔菌群等方面的研究，支撑着生物能源、环境生物监测与治理、营养与健康等领域针对微生物群落结构与功能的认识与改造。

 

同时，针对元基因组研究涵盖领域广泛、数据分布式产生却需集中比较等特点，研究所与中科院计算机网络信息中心等兄弟单位合作，在中国科学院信息化专项的支持下，正在构建基于Duckling软件系统的“元基因组e-Science协同科研平台”。该平台集成了元基因组原始数据质量评价工具、高通量与多维化元基因组分析与比较方法以及元基因组可视化工具等，提供了面向互联网的开放共享的信息检索与交流协作工具集，从而使得科研工作者、宽带网络、大容量存储设备、高性能计算资源、基因测序仪及其他相关科研仪器、数字文献资源、相关处理算法和工具融为一体，在数据共享和比较上消除不同地域、不同时间、不同机构之间的边界。该示范应用系统将有力地支撑元基因组的合作研究，充分发挥中国科学院e-Science示范应用项目在科研信息化方面的引领作用。

 

可以预见，以新一代测序技术为基础的元基因组学将在更多应用领域内揭开微生物群落的神秘面纱，从而使我们星球上这些“微小的巨人”的正面力量得到蓬勃的展现。

 

▲曾晓维（中），理学博士；王玮（右），理学硕士；徐健，理学博士，山东省能源生物遗传资源重点实验室主任，中科院青岛生物能源与过程研究所生物资源中心主任及功能基因组团队负责人。本研究小组主要致力于系统和网络水平上对微生物个体和群体的功能及调控机制的认识、模拟和筛选，以及微生物基因组解码与分析技术的开发和改进。

 

《科学时报》 (2010-5-31 B2 技术·产业)