讀2025世界前沿技術(shù)發(fā)展報告53微生物組學(xué)(下).png

1. 人類微生物組研究取得重要進展

1.1. 存在于腸道、皮膚、肺部、口腔和泌尿生殖道等不同身體部位的微生物群，在維持人體生理功能方面起著關(guān)鍵作用

1.2. 全面表征與疾病發(fā)病機制相關(guān)的人類微生物群，有助于推進新的潛在治療或預(yù)防策略，應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動的微生物組診斷和干預(yù)可能在未來十年帶來精準醫(yī)學(xué)突破

1.3. 微生物組研究工具不斷擴充

• 1.3.1. 生物信息學(xué)、高通量測序等現(xiàn)代技術(shù)的進步，極大地豐富了微生物組學(xué)的研究工具，推動了對人類微生物組在健康和疾病中的價值的理解

• 1.3.2. 美國開發(fā)出微生物質(zhì)譜搜索工具microbeMASST，可以在沒有先驗知識的情況下將微生物與其產(chǎn)生的代謝物相匹配，有助于探究微生物群在肝病、炎癥性腸病、糖尿病、動脈粥樣硬化等健康狀況中的作用，有望成為生命科學(xué)研究界的變革性資源

• 1.3.3. 美國開發(fā)出高通量方法Boba-seq，能夠比以往更快地確定微生物的基因特征和功能，還可用于與目標生物體相近的宿主體內(nèi)，克服了以往的技術(shù)限制，有望在微生物功能基因組學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛而深遠的影響

• 1.3.4. 中國開發(fā)出可廣泛應(yīng)用于人類、畜禽等動物腸道、糞便微生物組的GutHi-C技術(shù)

• 1.3.5. 美國通過分析代表各種疾病、地理區(qū)域和人口群體的8000多個樣本的糞便腸道微生物組圖譜，開發(fā)出可以測量人體腸道微生物群健康狀況的工具，命名為“腸道微生物組健康指數(shù)2”（Gut Microbiome Wellness Index 2）

• 1.3.6. 荷蘭開發(fā)出一種新技術(shù)，可快速高效地從糞便樣本中分離出一種特定的腸道細菌亞群IgA-coated。這項新技術(shù)將有助于更好地了解微生物群在腸道和全身性炎癥疾病中的作用，并為未來的治療開辟新的途徑

• 1.3.7. 人工智能和機器學(xué)習(xí)在微生物學(xué)領(lǐng)域的融合預(yù)示著診斷能力和感染防控的變革時代即將到來

  • 1.3.7.1. 美國開發(fā)新的生成式AI工具Q-net，Q-net利用數(shù)字孿生模擬嬰兒微生物組，幫助人們預(yù)測腸道中微生物物種的變化動態(tài)，準確率為76%

  • 1.3.7.2. 美國提出一種機器學(xué)習(xí)方法，可預(yù)測全球微生物群中的抗菌肽，并創(chuàng)建了包含近100萬種候選抗菌肽序列的庫AMPSphere，證明了人工智能方法從全球微生物組中鑒定功能性抗菌肽的能力

1.4. 人體微生物組學(xué)推進疾病發(fā)病機制的研究和對新治療方法的探索

• 1.4.1. 人體微生物組在人類健康和疾病中發(fā)揮著重要作用，不斷發(fā)掘其與多種疾病的關(guān)系，有望帶來更有效、更高效的醫(yī)療保健方法

• 1.4.2. 愛爾蘭發(fā)現(xiàn)腸道生物群落中的某些微生物在機體社交焦慮癥發(fā)生過程和焦慮程度中扮演重要角色，提出了微生物組或能作為治療人類社交焦慮癥的潛在治療性靶點

• 1.4.3. 西班牙通過編輯多種細菌治療疾病提供了更為通用的技術(shù)平臺，有望通過基因電路創(chuàng)建智能微生物，可擴展到皮膚、免疫炎癥等多個適應(yīng)證

• 1.4.4. 美國發(fā)現(xiàn)腸道中所發(fā)現(xiàn)的微生物群落的組成或許會影響小鼠對呼吸道病毒感染的易感性和嚴重程度，而在腸道中發(fā)現(xiàn)的分節(jié)絲狀菌能保護小鼠免于流感病毒的感染

• 1.4.5. 北京大學(xué)人民醫(yī)院開發(fā)出基于循環(huán)微生物組DNA（circulating microbial DNA，cmDNA）的肺癌診斷模型和術(shù)后復(fù)發(fā)預(yù)測模型，能夠以高敏感性識別早期肺癌，預(yù)測肺癌患者的術(shù)后復(fù)發(fā)風(fēng)險，有助于提高肺癌患者的生存率，可能改變當前的肺癌篩查和監(jiān)測策略

• 1.4.6. 美國芝加哥大學(xué)開發(fā)出活體生物電子平臺系統(tǒng)ABLE，利用細菌的細胞信號生成和傳輸能力，通過電生理記錄和皮膚電阻抗、體溫和濕度的無線探測來監(jiān)測微生物驅(qū)動的銀屑病干預(yù)

• 1.4.7. 比利時指出，由于存在大量的混雜因子（confounders），當前的微生物組分析方法或難以精確預(yù)測與結(jié)直腸癌發(fā)展密切相關(guān)的微生物靶標，提出了多種改進現(xiàn)有微生物組分析方法的策略

  • 1.4.7.1. 為未來研究提供重要指導(dǎo)，特別是在設(shè)計研究及如何解釋微生物組數(shù)據(jù)方面，未來有望在預(yù)防和治療結(jié)直腸癌方面取得更顯著的進展

• 1.4.8. 美國進行了迄今規(guī)模最大、種族和地理范圍最全面的2型糖尿病、糖尿病前期和健康血糖狀態(tài)患者的腸道微生物組調(diào)查，發(fā)現(xiàn)腸道微生物群變化與2型糖尿病風(fēng)險增加相關(guān)

• 1.4.9. 韓國開發(fā)出超快速識別敗血癥病例中病原體的新方法，無需血液培養(yǎng)，使用一種合成的β2-糖蛋白肽直接從血液中回收多種微生物病原體，并對其進行鑒定和藥物敏感性測試，以鑒定導(dǎo)致敗血癥的微生物病原體

• 1.4.10. 美國斯坦福大學(xué)從綜合人類微生物組計劃（Integrative Human Microbiome Project，iHMP）宏基因組測序數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)全新的一大類類病毒序列，并將其命名為“方尖碑”（obelisks）

• 1.4.11. 葡萄牙揭示了帕金森病患者的腸道菌群失調(diào)可能通過“腸-腦軸”（Gut-Brain Axis）影響大腦健康，為以腸道微生物為靶點的帕金森病干預(yù)策略提供了新思路

• 1.4.12. 美國西北大學(xué)首次證明腸道微生物可能在推動人類大腦演化中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，支持更高代謝能量生產(chǎn)的腸道微生物，可能是人類祖先能夠滿足大型大腦高能量需求的原因

2. 應(yīng)對環(huán)境挑戰(zhàn)

2.1. 微生物組學(xué)研究有助于更好地應(yīng)對環(huán)境挑戰(zhàn)并實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展

2.2. 微生物是地球生物地球化學(xué)循環(huán)的齒輪

• 2.2.1. 地球上微生物生命的新陳代謝能力相當驚人，涵蓋了大量的能量生成途徑，有助于減輕氣候變化、污染物和其他環(huán)境污染對海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)的負面影響，是應(yīng)對氣候變化、改善人類健康和促進可持續(xù)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵因素

2.3. 大規(guī)模地球環(huán)境微生物取得重要進展

• 2.3.1. 美國闡釋了土壤病毒對全球生物地球化學(xué)過程的潛在影響，還涵蓋了土壤病毒的各種微生物宿主、與土壤碳循環(huán)相關(guān)的關(guān)鍵功能，以及對理解土壤生態(tài)學(xué)至關(guān)重要的病毒代謝，將推動解決病毒生態(tài)學(xué)領(lǐng)域面臨的迫切挑戰(zhàn)，如新型疾病的出現(xiàn)、疫苗失敗及耐藥性問題等

  • 2.3.1.1. 指出95.8%的土壤病毒基因功能未知，急需對土壤病毒圈開展進一步調(diào)查

• 2.3.2. 中國構(gòu)建了迄今最完整的海洋微生物基因數(shù)據(jù)庫

  • 2.3.2.1. 從中發(fā)現(xiàn)了大量具有應(yīng)用潛力的基因資源，為開發(fā)新型基因編輯工具、抗菌肽、PET塑料降解酶等提供了全新思路

  • 2.3.2.2. 極大地推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同時也為海洋微生物的演化、環(huán)境適應(yīng)性、生態(tài)學(xué)研究和遺傳資源開發(fā)與利用提供了前所未有的機遇

2.4. 微生物在可持續(xù)發(fā)展中的關(guān)鍵作用

• 2.4.1. 降低大氣中二氧化碳和甲烷的含量

  • 2.4.1.1. 德國設(shè)計出人工二氧化碳固定途徑“THETA循環(huán)”，標志著在活細胞中構(gòu)建復(fù)雜人工固碳途徑的第一步

  • 2.4.1.2. 美國使用一種特殊的甲烷吞噬微生物混合物開發(fā)出一種新工藝，可將廢水中的甲烷轉(zhuǎn)化為聚羥基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoates，PHA）

  • 2.4.1.3. 美國利用基因工程研制出一種防止牛呃逆的藥丸，期望用新的微生物取代牛的瘤胃中產(chǎn)生甲烷的微生物，使牛排放更少的甲烷或不排放甲烷

• 2.4.2. 實現(xiàn)可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)

  • 2.4.2.1. 美國開發(fā)出人造生態(tài)系統(tǒng)EcoFAB，加快改良生物能源作物的開發(fā)

  • 2.4.2.2. 韓國開發(fā)出基于生物重構(gòu)的升級回收技術(shù)，可將食品制造過程中作為廢物丟棄的卷心菜副產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為可生物降解塑料

  • 2.4.2.3. 南開大學(xué)研發(fā)出一種新型、高效的大豆增產(chǎn)抗逆人工微生物菌劑，解決了傳統(tǒng)菌肥持久性短、精準性低、協(xié)同性差的難題

2.4.2.3.1. 該創(chuàng)新菌劑可顯著提高大豆對鹽堿地的適應(yīng)性和抗逆性，從而大幅提升大豆產(chǎn)量，有效解決了在鹽堿地種植大豆的難題，為鹽堿地的開發(fā)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提升、保障國家糧食安全和促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展貢獻了重要力量

• 2.4.3. 驅(qū)動塑料的可持續(xù)生產(chǎn)和降解

  • 2.4.3.1. 美國對銅綠假單胞菌進行改造，使其以塑料垃圾聚乙烯為營養(yǎng)來源，制造出可生物降解的絲蛋白“蜘蛛絲”，且制造效率和產(chǎn)量能與傳統(tǒng)用于制造絲蛋白的細菌菌株類似

  2.4.3.1.1. 該“蜘蛛絲”具有高強度、高密度、輕量級、柔韌、無毒、可生物降解等特性，是避免持續(xù)塑料污染的絕佳材料，有望應(yīng)用于紡織、醫(yī)學(xué)及化妝品行業(yè)

  • 2.4.3.2. 美國通過對一種紫色細菌進行基因工程誘導(dǎo)，促使其顯著增加聚羥基脂肪酸酯的產(chǎn)量，這種物質(zhì)可用于提純制造可完全生物降解的塑料。該研究大幅提高了頑固性細菌的生產(chǎn)效率，有助于發(fā)展具備更高水平的生物塑料