中国科学院微生物组计划取得系列进展

2018 年 1 月 17 日 中国生物技术网

重大活动

1. 中国科学院微生物组计划启动

2017年12月20日，中国科学院重点部署项目“人体与环境健康的微生物组共性技术研究”暨“中国科学院微生物组计划”启动会在中国科学院微生物研究所举行。该计划由中科院微生物研究所牵头，整合了包括中科院上海生命科学研究院、生物物理研究所、昆明动物所、生态环境研究中心、青岛生物能源与过程研究所以及北京协和医院等14家中科院内外单位共同参与。

出席启动会议的有中国科学院上海生命科学研究院赵国屏院士、生物物理所陈润生院士、微生物所魏江春院士和庄文颖院士、动物所魏辅文院士、生物物理所张先恩研究员、第三军医大学魏泓教授、北京大学朱怀球教授等专家，项目主管部门中科院科发局孙命副局长、刘斌处长、曾艳副研究员、前沿局沈毅处长、重任局姚远副处长，中国生物技术发展中心前沿生物技术处王德平处长，项目主持单位刘双江所长（项目负责人）、东秀珠副所长、杨怀义处长，项目下属各课题负责人及科研骨干等70余人。

刘双江所长向参会专家和领导汇报了整个项目的实施方案、预期目标、管理措施等，各课题负责人分别汇报了课题的实施方案、任务分工、已经取得的进展等。本项目下设5个课题，分别聚焦研究人体肠道微生物组、家养动物肠道微生物组、活性污泥微生物组的功能网络解析与调节机制，创建微生物组功能解析技术与计算方法学，以及建设中国微生物组数据库与资源库。

专家组在听取项目及课题汇报后指出，微生物组研究目前已经成为新一轮科技浪潮的前沿阵地，部署“中国科学院微生物组计划”具有重大的科学和应用意义。项目实施过程中，应体现国家需求导向，加强项目内部研讨与合作，联合攻关，共同开展微生物组共性技术研发，推动“中国微生物组计划”立项。

启动会后，项目组织了内部课题交流研讨，充分讨论细化了项目的实施方案，总结交流了工作进展，确定了下一步工作计划。

通过本项目的实施，将淬炼一支富有国际竞争力的微生物组研究团队，凝练出一批先进的微生物组研究成果、技术和方法，为中国微生物组计划发挥先导和引领作用，推动我国在全球微生物组研究和应用的竞争中实现从“跟跑到并跑，乃至领跑”。

图1. 中国科学院微生物组计划启动会合影

2. 全球模式微生物基因组和微生物组测序合作计划正式启动（课题5 微生物研究所）

2017年10月12日，由世界微生物数据中心（WDCM）和中国科学院微生物研究所牵头，联合全球12个国家的微生物资源保藏中心共同发起的全球微生物模式菌株基因组和微生物组测序合作计划正式启动。该计划将建立覆盖超过20个国家30个主要微生物资源保藏中心共同参与的微生物基因组、微生物组测序和功能挖掘合作网络，5年内完成超过10000种的微生物模式菌株基因组测序，覆盖超过目前已知90%的细菌模式菌株，完成超过1000个微生物组样本测序，覆盖人体、环境、海洋等主要方向，在微生物基因组和微生物组资源共享和挖掘方面建立一套国际标准体系，建立全球权威的微生物组学参考数据库和数据分析平台，研究微生物组与人体、作物、环境等生态系统的相互作用，发现微生物组与人体健康、农业生产和环境等的物质和信息交流机制，为解决影响我国人口健康、环境污染治理及工农业生产中存在的问题，提供新的理念和颠覆性技术。

图2. 全球模式微生物基因组和微生物组测序合作计划启动

通过本计划实施，中国科学院将牵头建立“微生物资源数据管理和发布共享标准”（国际标准），搭建微生物组学国际权威的数据平台，召开一系列具有领域影响力的品牌性学术会议及培训班，组织和联系一支微生物领域的国际队伍，形成国际性的合作网络，培育我国国际领军战略人才和青年才俊，建立生物资源挖掘、基础前沿研究、技术创新到产业发展等一体化的研发应用体系，也为国际合作伙伴提供微生物资源的挖掘和改造策略，推动生物技术发展。

重要进展

1．代谢性疾病新型药物候选分子及机制研究取得进展（课题1 微生物研究所）

糖尿病死亡者中超过一半是心脑血管疾病所致，10%是肾脏病变所致。因肥胖和糖尿病等代谢性疾病引发的并发症尤其是心血管病变不仅给患者带来严重的、持续的、难以逆转的健康损伤，同时也给国家带来沉重的医疗负担。本项目课题1微生物研究所刘宏伟研究员团队和刘双江研究员团队以灵芝和小鼠肠道微生物为研究对象，从中获得一个具有减肥、降糖、降脂多重药理作用的新型药候选分子GA7，研究发现GA7可以通过改变肠道菌群组成与丰度，增加丁酸产生菌HF-1丰度，促进丁酸等短链脂肪酸合成，抑制LPS等内毒素分泌，降低体内炎症水平，进而改善糖脂代谢，控制体重。

2. 活性污泥微生物组研究取得新进展（课题3 水生生物研究所）

活性污泥法和生物膜法是城市生活污水和工业生产废水处理的两类主流处理技术，我国90%的城市生活污水和50%以上的工业废水净化处理采用的是活性污泥法。活性污泥法三要素是曝气、泥水重力分离和污泥回用，而活性污泥菌胶团的形成是后二者实现的前提。中国科学院水生生物研究所邱东茹研究组积极开展活性污泥相关微生物学研究，在武汉、深圳、成都、西安、岳阳和常德等地区的城市污水处理厂收集污泥样品，分离和纯化了大量的菌胶团形成菌——动胶菌（Zoogloea）。目前已经完成多种菌胶团形成菌的基因组测序、注释和比较基因组学分析，并成功建立分子遗传学分析手段和研究方法。

在对西安北石桥污水处理厂活性污泥的分析中，除动胶菌外，分离得到多株陶氏菌（Thauera），可能反映该地区的快速城镇化趋势，有一定量的工业废水排入。此外，还分离到一株Plasticicumulans acidivorans（嗜酸聚塑料菌）菌株XHL-26，该菌可以大量积累聚羟基丁酸颗粒，达到干重的85%以上。在下一步工作中，准备对XHL-26菌株进行基因组测序和注释，希望该菌株和其他微生物资源能在将来污水资源回收中得到应用。

3. 拉曼激活单细胞液滴分选技术研发取得进展（课题4 青岛生物能源与过程研究所）

由于自然界中的大部分微生物尚难以培养，因此单细胞精度的高通量功能识别与分选是解析微生物组的重要工具。单细胞拉曼光谱（SCRS）能够在无标记、无损的前提下揭示细胞固有的化学组成，因此拉曼激活细胞分选技术（RACS）日益受到广泛关注。但是分选通量是当前限制其广泛应用的最重要的瓶颈之一。据此，青岛能源所单细胞中心马波研究员与徐健研究员带领的多学科交叉团队通过耦合SCRS和液滴微流控技术，发明了拉曼激活单细胞液滴分选技术（Raman-activated single-cell Droplet Sorting; RADS；见图3），这是目前分选通量最高的RACS系统。该工作最近发表于Analytical Chemistry。

研究人员证明，单细胞经液滴包裹后耦合介电场，可实现超高通量分选；同时液滴包裹不仅可以保护细胞免受分选过程中的损伤，还能够与分选后细胞的培养、DNA、RNA、蛋白等的提取与分析等无缝衔接。单细胞中心前期提出，基于单细胞拉曼成像的拉曼组（Ramanome）技术能够非标记、非破坏性地识别与分析几近无限的细胞功能。因此，与拉曼组技术相耦合的RADS将能够分选广泛的细胞功能，从而允许下游特定功能单细胞的培养或组学分析。这一工作为研制高度通量化与集成化的微生物组单细胞拉曼分选与测序系统奠定了基础。

图3. 拉曼激活单细胞液滴分选技术示意图

其他工作进展

课题1：5年以上2型糖尿病患者临床资料、血样、粪样等样本采集工作正在进行，符合标准的研究对象已纳入80余例，血液指标和粪便菌群检测即将同步开展。

课题2：动物资源收集与实验场地选择进展顺利，已收集原生态藏猪60头、选育品种小耳猪300头、仔猪羊100余头，实验样本采集和预实验同步开展。

课题4：初步建立了菌群拉曼功能成像平台及分析流程；在人工模拟群体水平验证菌群拉曼成像的可行性，考察不同细菌的功能特征；以未培养趋磁细菌为测试对象，初步建立了用于单细胞微生物组分析的NanoSIMS制样和检测技术；微生物组多样性快速检测纳米孔工艺条件摸索优化，基本完成了基于固体纳米孔的微生物物种多样性光学检测平台搭建；微生物组遗传变异解析技术取得进展，提出了基于降低物种复杂度策略的微生物组结构解析的新技术—metaSort。

“中国微生物组计划”推进

2017年，经过不懈努力，“微生物组”列入国家多项规划和文件之中，包括国科党组发〔2017〕1号文、科技部“十三五”生物技术创新专项规划（国科发社〔2017〕103号）、“十三五”基础研究专项规划（国科发基〔2017〕162号）、国家技术创新中心建设工作指引（国科发创〔2017〕353号）等。

2017年，微生物所先后组织院内外相关单位召开了多次研讨会，收集了专家的建议意见，组织人员编写形成了“中国微生物组计划”专项建议初稿，目前正在完善。拟在2018年第一季度报送科技部等国家相关部门。

项目简介

中国科学院微生物组计划由中科院微生物研究所牵头，整合了包括中科院上海生命科学研究院、生物物理研究所、昆明动物所、生态环境研究中心、青岛生物能源与过程研究所以及北京协和医院等14家中科院内外单位共同参与。

该计划以中国科学院重点部署项目“人体与环境健康的微生物组共性技术研究”为牵引，坚持“国家需求导向、科学假说驱动、技术创新支撑”的原则，聚焦人体与环境健康的微生物组共性技术研究，共设立5个课题。通过本项目的实施，将提升中国科学院在未来“中国微生物组计划”的人体微生物组、家养动物肠道微生物组、环境微生物组等领域，以及微生物组功能研究方法及应用新技术平台、微生物组资源数据存储与功能挖掘平台等共性支撑平台建设的地位与实力，并推动“中国微生物组计划”立项。