研究人类肠道的微生物学家可以从研究地球内部的专家那里学习到什么？吉莲·班菲尔德说:“科学研究需要多领域合作”。如果你看着酸矿废水池表面来想象第一个有机体的诞生，这与想象微生物在一个新生儿无菌的胃肠道里出现是一样的。
加利福尼亚大学伯克利分校的微生物学家吉莲·班菲尔德（Jillian Banfield）主要从事污染环境中的微生物研究。不久前，她在位于加州里士满昏暗潮热的硫磺矿里取样，那里蓝色钟乳石渗出的水是迄今酸度最大的，其pH值达到了－3.6；在科罗拉多州莱福城一个废弃的核处理站内抽取废水样本，其中混杂了大量的铀、砷、钼以及其他有毒的金属。她把采集到的这些样本送回实验室进行测序和DNA分析，试图从中找出其含有何种菌种诸如古生菌、病毒或真菌等，以及它们如何能在如此恶劣的环境里生存。
三人研究组
大约一年前，班菲尔德的研究有了一个新的场所：伊利诺斯州芝加哥大学新生儿重症监护病房，体重不足1.5公斤的早产儿体内像铅笔杆一样细的肠道。班菲尔德从来没有涉及过人体微生物领域，但她在里士满矿山关于微生物群的研究受人关注，吸引了两位医学研究人员的注意。其中一人是迈克尔·莫洛惠兹（Michael Morowitz），时任芝加哥大学新生儿外科医生，现就职于美国宾夕法尼亚州匹兹堡大学。莫洛惠兹正在研究坏死性小肠结肠炎（NEC），一种潜在的致命疾病，能破坏早产儿的肠道。另一人是加利福尼亚州斯坦福大学的大卫·雷尔曼（David Relman），他是人体微生物学这一新兴研究领域的领军人物。
莫洛惠兹和雷尔曼邀请班菲尔德一起研究微生物群这个待开发的领域，班菲尔德欣然应允，开始了三人的合作。他们把班菲尔德的技术运用于人体，并对微生物基因进行测序和分析，以解决到底是哪些属系或品种与坏死性小肠结肠炎相关。在其他地方，微生物生态学家也有类似的合作，研究延伸到人体肠道、皮肤、口腔以及其他表面的微生物。他们如班菲尔德一样，超出了对土壤、海水以及有毒的废物场地环境的研究。
虽然近五年来雷尔曼和其他科学家的研究离建立一个人类微生物遗传索引（微生物类型及其在人体活动的位置）还有很大距离，但已经揭示了其惊人的、未受重视的复杂性。物种在人体和体表不断互动，协同进化，令人沮丧的是几乎没有物种在人类微生物区重复，要理解微生物和健康之间的联系似乎比以往任何时候都要困难。
研究人员想知道人体微生物在免疫、营养、药物代谢和肥胖、癌症、自闭症、多发性硬化症等不同状态下所扮演的角色。他们通过对大量的基因序列进行整理归类来找出微生物所在的区域，它们在一天、一生中或是在一顿饭后如何改变，哪些功能由特定微生物来实现，或者是微生物化合或代谢的产物。
微生物生态学家们利用丰富的专业知识和生物情报学工具来处理大量数据。他们探知人类微生物学领域的规律，如集群、演进、适应性以及群落间的竞争和合作。密苏里州圣路易斯市华盛顿大学肠道微生物学的领军人物杰夫·戈登（Jeff Gordon）认为：“进入这一研究领域就得考虑生态。”作为回报，人类微生物学正在逐步得到关注并获得研究资金，“横亘在生态学和医学微生物学之间的障碍正在开始瓦解。”戈登说。
微生物无处不在
婴儿在出生时第一次接触到微生物，从此开始了被微生物冲击的漫长一生。新的细菌、病毒和真菌占领了人体的皮肤、眼睛、肺部和肠胃道（GI）。但在过去十年中，科学家探索这些微生物群落的能力受到了历史、文化和技术的阻碍。自罗伯特·科赫（Robert Koch）在十九世纪后期建立病原细菌学以来，临床微生物学家念念不忘像沙门氏菌、埃博拉病毒、耶尔森氏鼠疫杆菌这样的异质病原体，而体内和体表的微生物群被认为对健康无关紧要，就很少被考虑到。
生态微生物学家有着不同的期待。在科赫培养炭疽杆菌和结核杆菌的时代，生态研究领域已开始运用“平皿计数法”。当对一滴池塘水的样本分析时，他们看到同一样本由于数量不同得到的结果有着戏剧性的差异，大数量的微生物细胞可以在显微镜下计数，而微量微生物细胞则需要先培养。研究者们不断探索未知，希望全面了解自然生态系统。
1985年，一个微生物研究小组发表了一项技术，通过对16S核糖体RNA基因（每个物种不同）的测序，来普查样本中的细菌、古生菌。1995年，班菲尔德运用遗传学调查研究铁矿酸性矿水中的微生物，不久，这类遗传学调查很快在环境微生物学领域成了惯例。
临床微生物界终于意识到这一问题。1999年，雷尔曼出版了第一本研究人体内部与体表微生物的著作，比较了那些从健康男性的牙齿上采样的齿菌斑和他自己在培养皿里培养的齿菌斑的16S基因的差异。但他发现，这种方法会遗漏大部分的物种以及一些新的物种。
几年后，复杂的人体微生物图像日渐清晰，它利用能量和食物中的营养合成必需氨基酸，滋润肌肤，促进免疫系统的运作。如戈登所言，“微生物正把主人没有的炊具带到餐桌上”。大家现在讨论的是人类和微生物的伙伴关系，如何共栖共生，共同进化为“超级有机体”。
2007年年底，美国国立卫生研究院（NIH）开展了一项为期五年、耗资1.15亿美元的人体微生物组项目（HMP），致力于为庞大的人类微生物组测序，国际微生物组联盟也因此成立。项目主管丽塔·普罗科特（Lita Procto）说：“要真正理解我们作为一个有机体的功能，需要研究人体所有微生物群落，它们与我们的健康和生命息息相关，工作量比人类基因组要大100倍。”
2010年3月，涉及欧盟和中国的人体肠道元基因组研究计划（MetaHIT）对124个人类粪便样本进行分析，得到一组微生物基因序列，并发现在一个微生物组中有1000种常见细菌和330万微生物基因（人体基因数的150倍）。几个月后，科学家完成了人体不同部位的178个微生物组的测序和分析任务，发现其基因编码中含有3万种以上的蛋白质。
研究由此突破
本世纪初，雷尔曼开始了解班菲尔德的研究，后者开发了一种技术，能从大量微生物DNA序列碎片识别出它们的属系和品种，用软件来分析各菌种的身份特征、新陈代谢及功能，以揭示菌群的生化过程。对比之下，当前通行的16S核糖体RNA基因测序和一些自动化生物信息分析难于显示相近微生物属种间的不同，很难揭示一些细微的基因重排。但这种方法只能用来分析简单的群落，比如里士满矿山，其最大数量的菌种占了整个群体的40%。而成人肠道含有数百种微生物，数量最大的菌种只占4%。
“但我们的研究并非不可进行。”雷尔曼说。2009年1月，莫洛惠兹的加入使事情有了转机。班菲尔德回忆说：“有一天他突然打电话给我，和我交谈关于坏死性小肠结肠炎的事。他真的关心这可怕的疾病，我被他的热情打动，希望能帮上忙”。这种病发生在早产儿身上的概率是7%，但往往医师在开始治疗期间无法诊断出这种病，直到如腹部膨胀或便血这种症状出现。在严重的情况下，必须进行肠切除，许多婴儿因此死亡。
医学界几十年一直在寻找这种致病病原体，但未获成功。莫洛惠兹说，“我怀疑我们是不是要找到一个（病原）确凿的证据，所以我一直在寻找不同的方法来研究问题，我开始对人们在整个生物体系的角色感兴趣。这就是我从吉莲的论文中读到的。”
班菲尔德、莫洛惠兹和雷尔曼意识到，进行人体微生物的细致分析，早产婴儿是最佳研究对象。每个早产新生儿体内菌种只有12种左右，与酸矿废水相当，重症监护病房又提供了一个无菌的环境，三人的合作把班菲尔德的技术用在了早产新生儿身上。莫洛惠兹每天采集新生儿粪便样本，并将其DNA分离后把数据发送给班菲尔德和雷尔曼；雷尔曼用16S测序做菌种和数量普查；班菲尔德选择一些节点作更为详细地测序。
他们研究了妊娠28周早产婴儿在前三周里的生命情况，追踪了微生物群在种类数量上详细快速的变化，以查找是否存在某种特殊的细菌或菌群与NEC有关，并协助预测哪种婴儿容易染病，进而找出预防办法。进一步，他们希望绘制出新生儿肠道菌群的简化模型，以期将这些生态原则扩展应用到人类的微生物系统中。
抗生素余波
人们也在探索微生物生态系统在疾病、饮食或服用抗生素后是如何调整的。珍妮特·简森（Janet Jansson）是加州大学伯克利分校的一位土壤微生物学家，正在研究造成克罗恩氏病肠道紊乱的相关细菌，其同事克莱尔·F·利格特（Claire F·Liggett）说，“这些菌群有很强的适应性，是否可以重新占领被抗生素扰乱的环境，以及如何检测和如何恢复？所有这些问题可能需要生态微生物学家们花数十年时间来寻找答案。”
生态概念也有助于解释个体微生物之间本质上的差异，甚至在同卵双胞胎之间。每个人体上的微生物提供了一系列核心基因组和生物功能，不管具体的物种如何编码。戈登说：“如果你看地球不同地区的草原，它们有一个共同的形态和功能。但在不同地方中，物种的成分是截然不同的。”戈登和其他研究人员希望，更广泛的基因测序和关于个人微生物组的分析，将会揭示这些核心职能是什么。与此同时，雷尔曼开始对寻找“核心物种”感兴趣，稀有物种仍然在群落中扮演重要的角色，并与斯坦福大学的生物工程学家斯蒂芬·奎克（Stephen Quake）一起对肠道中的单个微生物细胞进行序列测定。
然而，由于人体微生物密度、多样性和复杂性，使得它们与其他微生物形成不同的种类。“我们能获得这么多的数据，”简森感叹道，“数十亿的序列，数万的蛋白质和代谢产物，我们已经数据过载了。”看来，人体细胞与微生物之间的紧密联系又增加了一层额外的复杂性。
在别处，环境或多或少是没有影响的。“复杂性是一个很大的挑战，”雷尔曼说，“无论如何，我们还没有走到这一步。”
“人类微生物群系项目的研究还没有明确的终点”，利格特说，“对于人类基因组计划而言，它是为了构画出一个人类基因组序列的高精度的草图。在这里，由于这些复杂的群落，我们还没有乐观到可以定义一个研究的终点。”考虑到有这么多的多样性，她接着说：“这就好像一个黑洞，可能永远会研究下去，这会使得一些提供资金的组织欲哭无泪。”
尽管生态微生物学提供了一个框架来理解人类微生物群落，但它的所有方法和原则，离临床应用都还有一定距离。莫洛惠兹说，“如果你走进任何一家医院，拉住穿白大褂的人，问他们关于微生物的问题，他们只知道把血液样本送到培养室，然后分离它们。”即使研究人员找到了某种细菌和某种疾病之间的确切联系，也没办法通过清除一种细菌或引入另一种细菌的方法来控制细菌群落。抗生素倾向于杀死相关的细菌，而不能杀死一个菌群，更无法产生菌群或移植它们。
训练有素的临床医生雷尔曼表示，这是可以理解的，“他们被病原体束缚住了，他们需要处理实际的临床问题，他们不需要多样性。”但是，这必须改变，雷尔曼说，“在面对病原体时，我们必须克服‘一种细菌一种病’的单向思维，菌群才是真正的研究单位。”
资料来源 Nature
责任编辑 彦 隐