【雲飛雜記】細菌傳之未濟

2022年12月01日18:09 來源：中國網-體育頻道 作者：雲飛

未濟：亨。小狐訖濟，儒其尾。無攸利。——《易經》

書接上回，腸道細菌研究很熱門，腸道微生物組與人類的很多健康問題有關，但作用機制仍然是謎。在人類微生物組計劃和人類元基因組計劃的基礎上，2016年美國啟動“國家微生物組計劃”；歐盟啟動“腸道微生物組學聯合行動計劃”。翌年，中國科學院啟動“人體與環境健康的微生物組共性技術研究”。

2022年9月6日，美國斯坦福大學的邁克爾和凱恩團隊在《細胞》雜誌上發表了題為《設計、構建和體內擴增複雜腸道微生物組》的文章。該團隊建立了目前最複雜、最完整的人工合成腸道微生物組，在小鼠體腸道創造了由119種細菌組成的群落。

健客：這個很難嗎？人類微生物組計劃不是已經弄明白腸道微生物群落了嗎？

雲飛：嗯，很難！許多腸道微生物組研究都是用糞便移植完成的，糞便移植將整個天然微生物組從一個生物體引入另一個生物體。雖然人類已經能使某個基因沉默，或者從特定的細胞，甚至整個小鼠身上去除某種蛋白質，但不能從糞便樣本中分離培養出全部細菌，構成穩定的細菌群落。

健客：那怎麼辦呢？

雲飛：有困難繞著走唄！不能從糞便樣本中分離培養，就在合成基礎上著手構建。

基於人類微生物組計劃的數據，篩選廣泛存在於人體腸道中的微生物。“我們在人類腸道中尋找諾亞方舟的細菌物種，試圖找到幾乎在任何個體中都存在的細菌。”邁克爾説。最終確定的104個菌株經過純培養，然後混合到一起，共同組成了人工合成群落“hCom1”。

健客：聽上去，沒那麼難嘛！

雲飛：這才剛開始。

基於宏基因組測序和團隊研究的新演算法，首先評估hCom1的穩定性。將群落在培養基中培養48小時，並分別檢測0、12、24和48小時的微生物組成情況。結果表明，在經過12小時的培養後，hCom1已趨於穩定，表明hCom1具有較高的穩定性。接著，探究當培養基缺乏某種氨基酸時，群落是否受影響。雖然這些菌株可以在培養基中共存，但真正的考驗在腸道中。隨後，將hCom1移植至無菌小鼠體內，並收集小鼠的糞便8周。對小鼠糞便菌群的分析表明：一是大部分的菌株能夠成功定植，僅有3株菌株未被檢測到；二是hCom1在體內很快能達到穩定狀態，2周時的菌群組成與8周時的檢測結果高度相似。

健客：好吧，的確複雜。

雲飛：這才哪到哪啊！

為更好地模擬真實腸道菌群，提高人工合成細菌群落的適應性，在hCom1的基礎上進一步添加菌株。首先給無菌小鼠移植hCom1，4周後，進行人源糞菌挑戰實驗，用“人源糞菌樣本”給小鼠灌胃。再過4周後，用宏基因組方法測序分析糞菌構成。結果表明，89%的菌株來源於hCom1，11%則是新成員。從新成員中篩選了24個候選細菌菌種作為補充，其中的22個菌株可以成功培養。由於有7個hCom1來源的菌株在該實驗過程中被替換，基於此，選擇hCom1剩餘的97個菌株和22個新成員共119個菌株組成hCom2。為評估hCom2的完整性，用同樣的人源糞菌樣本繼續進行挑戰實驗。結果表明，與hCom1相比，hCom2的定植抗力明顯增強，且挑戰前後的變化較小，説明hCom2的完整性和穩定性更優。進一步評估表明，定植了hCom2的同一品係的不同小鼠和不同品係的小鼠，糞菌構成相似。與定植人源糞菌的小鼠相比，不僅兩者的菌群微生物數量相似，而且結腸免疫圖譜和菌群代謝圖譜類似。最後，評估hCom2作為模型的可用性，檢測hCom2對致病菌的抗性。用腸出血性大腸桿菌檢測，結果表明，定植hCom2與人源糞菌的小鼠的定植抗力類似，均能夠有效地抵抗腸出血性大腸桿菌的定植。此外，通過調整hCom2的構成，還發現厚壁菌門細菌在抵抗腸出血性大腸桿菌的過程中發揮重要作用。

健客：什麼是圖譜啊？

雲飛：圖譜是按類編制的圖集，為了通過圖像更好地了解事物的一種形式。《本草圖經》是北宋嘉右年間（1058-1061年）由政府組織力量編繪的一部大型本草圖譜。明代醫藥學家李時珍曾評價此書説：“考證詳明，頗有發揮。但圖與説異，兩不相應，或有圖無説，或有失圖，或説是圖非……”。限于當時條件，書中難免存在一些缺點，但就其內容來説，仍有較大的科學價值。此書雖已散佚，但其主要內容仍散見於各大巨著，如陳承的《重廣補注神農本草圖經》、唐慎微的《大觀本草》、李時珍的《本草綱目》等本草著作中，可見其內容的重要。從《本草圖經》的圖解中可以得知，當時貢上的圖形有一些彩色的，只是限于彩印條件還不具備，無法表現這些成果。因此，我們看到的全是墨線條圖。這是我國既知最早的一部版刻藥物圖譜。出去玩，看見一些花花草草，不知道叫什麼名字，就用手機掃一掃，這是基於圖譜的應用。免疫圖譜和代謝圖譜説來話長，放在《病毒傳》中吧。

健客：明白了，這個研究真了不起啊！

雲飛：嗯。這屬於合成生物學，其中一個里程碑是2010年，文特爾帶領的研究小組成功創造了辛西婭，一個新的細菌物種。與傳統生物學通過解剖生命體，研究其內在構造不同，合成生物學的研究方向完全是相反的，它是從最基本的要素開始一步步建立零部件。重塑生命是合成生物學的核心思想。該學科致力於從零開始建立微生物基因組，從而分解、改變並擴展自然界的基因密碼。如果把微生物基因看成是各種各樣的代碼，那麼合成生物就相當於編程工作，可以改變原有的代碼，也可以從無到有，把代碼重新寫過。最終産出特定功能的軟體，再發展成網際網路生態。如果把基因看成是電子元件，那麼最終微生物就類似于電腦。通過合成生物這種基因編程手段，去設計這些微生物，構建特定的基因回路。再組裝成整合系統連成網路，最後設計組裝具有特定功能的人工生命系統。造物致知，造物致用。合成生物學成為繼DNA雙螺旋發現催生分子生物學革命和人類基因組計劃實施催生基因組學革命之後的第三次生物技術革命。

健客：我知道，微生物是廣泛存在於自然界的形體微小、數量繁多、肉眼無法直接看見，需借助於光學顯微鏡放大數百倍、上千倍甚至數萬倍，才能觀察到的微小生物，不僅包括細菌。

雲飛：嗯，根據微生物進化水準和性狀的差別可以分為原核微生物、真核微生物和非細胞微生物三大類群。其中原核微生物主要有細菌和古菌。屬於真核生物類的有真菌、原生動物和顯微藻類等。非細胞微生物是指沒有細胞結構的微生物，包括病毒、類病毒和朊病毒等。地球上的微生物物種粗略估計在百萬數量級之上，是最為豐富多樣的生物資源，缺少了它們，生物圈的物質能量迴圈將中斷，地球上的生命將難以繁衍生息。

實際上，人們在生産與日常生活中已經積累了不少關於微生物作用的經驗規律，並且應用這些規律創造財富，減少和消滅病害。民間早已廣泛應用的釀酒、制醋、發面、腌制酸菜泡菜、鹽漬、蜜餞等等，這些都是人類在食品工藝中控制和應用微生物活動規律的典型例子。積肥、漚糞、翻土壓青、豆類作物與其他作物的間作輪作，是人類在農業生産實踐中控制和應用微生物生命活動規律的生産技術。種痘預防天花是人類控制和應用微生物生命活動規律在預防疾病保護健康方面的寶貴實踐。儘管早期這些沒有上升為微生物學理論，但都是控制和應用微生物生命活動規律的實踐活動。從17世紀列文虎克發明顯微鏡，首次看到池塘綠藻和牙齒間隙殘渣中的細菌；到19世紀巴斯德、科赫等人開創細菌學；再到1953年沃森、克裏克等人發現DNA雙螺旋結構,從而進入現代微生物學時期，將微生物學推到生物科學的前沿。

隨著科學技術的迅速發展，微生物學不斷革新，當今已形成了基礎微生物學和應用微生物學，也可根據研究的側重面和層次不同，而分為許多不同的分支學科，並不斷地形成新的學科和研究領域。如通常按研究對象分，可分為細菌學、真菌學、病毒學、原生動物學、藻類學等；按過程與功能分，可分為微生物分類學、微生物生理學、微生物遺傳學、微生物生態學、微生物分子生物學、微生物基因組學、細胞微生物學、化學微生物學等；按生態環境分，可分為土壤微生物學、環境微生物學、水域微生物學、海洋微生物學、宇宙微生物學等；按技術與工藝分，可分為發酵微生物學、分析微生物學、微生物遺傳學、微生物技術學等；按應用範圍分，可分為工業微生物學、農業微生物學、醫學微生物學、獸醫微生物學、食品微生物學、預防微生物學等；按與人類疾病關係分，可分為微生物流行病學、臨床微生物學、微生物免疫學等。隨著現代科學研究理論和技術的不斷發展，如大數據、雲計算以及IT、AI、5G技術的廣泛應用，越來越多新的微生物學分支學科正在不斷形成和建立。

2021年，《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》指出：加強原創性引領性科技攻關，很多內容涉及微生物學前沿領域。2022年，《“十四五”生物經濟發展規劃》指出：依託生物製造技術，實現化工原料和過程的生物技術替代，推動化工、醫藥、材料、輕工等重要工業産品製造與生物技術深度融合。微生物技術作為底層技術，衍生出許多顛覆性、革命性的技術，是生物技術創新的源泉，未來將在賦能生物經濟中大有可為。作為一門與人類關係極為密切且正在迅速發展的學科，微生物學在生命科學領域具有舉足輕重的地位。一些大學開設“微生物學前沿”課程或論壇，以微生物學的發展前沿、研究熱點為內容，進一步拓展微生物學知識和眼界，培養科學精神，訓練科學思維，增強解決複雜問題的能力。

以中山大學李文均教授為首，匯集國內外有著豐富教學和科研經驗的知名微生物學家組成編委會，與時俱進，把握微生物學理論與技術的最新增長點，在以往《現代微生物學》的基礎上，更新、編寫了《微生物學前沿》。該書2022年7月1日出版，內容涵蓋了11個微生物領域的前沿理論研究進展及技術發展水準，介紹了微生物基因組學與基因工程的技術原理與應用、微生物天然代謝産物與代謝組學、合成生物學、環境微生物學、以及生命起源與地外生命探索等前沿方向的最新發展。其中，環境微生物學研究微生物多樣性與功能及其與環境相互作用，環境微生物廣泛參與了碳氮硫等生源元素物質迴圈過程並深刻影響著地球環境；極端地質環境微生物學、地球早期生命起源與外星生命探索是地質微生物學的重要研究方向。這些與交叉學科相關前沿研究內容的出現，體現該書著作團隊具有廣博的專業知識視野及對微生物學前沿方向的高度敏感性。

健客：未濟是什麼意思呢？

雲飛：未濟是《易經》六十四卦最後一卦的卦名。未，不僅指出了事物的發展沒結束，而且指出了事物的發展正在進行。濟，正在進行中，不是成功了、結束了，而是正在向成功靠近。未濟，努力地向終點跑去，卻沒有真正的終點。未濟卦以未能渡過河為喻，闡明“物不可窮”的道理。未濟卦是既濟的綜卦，下坎上離，離為火，坎為水。火向上炎，水往下潤，兩兩不相交。卦中也是三陰三陽，兩兩相應，有同舟共濟之象，故此卦“亨”，通暢之意。但六爻均位不正，陰差陽錯，若“小狐汔濟，濡其尾，無攸利”。小狐過河尾向上舒，可剛要到河邊尾巴就被沾濕了，沒有過去，以此喻事情尚未完結，還要向前發展。六十四卦無所謂好壞，沒有哪一卦特別好，哪一卦特別差這種觀念，只要是在合適的時間，出現合適的卦象，並能按照其規律去做出適宜的行為，那麼每一個卦象都是無可替代的存在。既濟與未濟相綜而互為往來，有共通之用，既濟之終即未濟之始，而既濟之首乃是未濟之尾，既濟與未濟首尾相接，終而復始，不續其終。《序卦》雲：“物不可窮也，故受之以未濟，終焉”。聖人觀象辨物設六十四卦，但事物處在無窮無盡的發展中，沒有結束。用未濟卦來反應尚未完成、尚未結束、正在發展的事實。世界是一個完整而連續的整體，它一刻也不停地向前發展。它一個階段接著一個階段、一個過程接著一個過程，積微漸進，生生不息，週而复始。人生在世，不可能一輩子無險，只要不懈努力，即使暫時無法達到目的，也一定會在時機成熟之時獲得比較好的結果。

《細菌傳》尚屬未濟之作。受學識、眼界、思維邏輯、寫作水準等限制，本書一定存在諸多謬誤，誠摯希望您批評指正！一路走來，以文會友，忘年，幸甚！

世界盃進行時，下周聊運動與養生，同時籌備《真菌傳》。