2010-12-09 13:15:42 | 來源：中新網－科技日報 | 作者：常麗君
「如果你走進任何一家醫院，向任何一個身穿白大褂的醫生詢問有關微生物的事，他們只知道把血液樣本送到培養室，然後分離它們。」賓夕法尼亞匹茲堡大學新生兒外科醫生麥可·莫羅維茨說。
然而人體中微生物細菌變化多端、靈活多樣，不同的菌種隨時能跟其他菌群結成不同的聯盟，人體細胞和它們的微生物居民之間也存在著不斷地相互聯繫，更增加了額外的複雜性。面對龐大的微生物洪流，研究人體微生物的科學家需要改變思路。
奇異三人組
加利福尼亞大學伯克利分校的微生物學家吉莉安·班菲爾德一直在研究極端環境中的細菌。今年9月，她在加利福尼亞鐵山布滿硫磺的理查曼德礦帶，收集藍色鐘乳石裡滲出的酸性很強的水；而一年前，她在科羅拉多來福爾地區一個廢棄核處理站，抽取含有鈾、砷、鉬及其他地下金屬元素的有毒混合湯。她從這兩個站點採回樣本，分析其中包含的DNA，研究能在那種地獄般環境生存下來的細菌、古生菌、病毒及真菌到底有哪些。
麥可·莫羅維茨，當時是芝加哥大學的新生兒外科醫生，目前在賓夕法尼亞匹茲堡大學進行壞死性小腸結腸炎(NEC)相關研究，約7%的早產嬰兒感染了壞死性小腸結腸炎，但臨床上經常無法及時診斷出來而拖延了治療。嚴重的情況，醫生必須清除一部分或所有腸子，許多嬰兒都會死掉。幾十年來，醫學界一直在尋找病原菌而沒能成功。2009年1月，莫羅維茨開始研究NEC。「我懷疑不可能找到這種病原菌，所以我選擇了不同的方法來研究這個問題，把人作為一個整體的有機物群落。」
另一位合作者是戴維·瑞爾曼，在加利福尼亞史丹福大學研究人體微生物群落。班菲爾德和研究小組開發了一種技術，能從大量微生物DNA序列碎片識別出它們的屬系和品種，用軟體來分析各菌種的身份特徵、新陳代謝及功能，以揭示菌群的生化過程。對比之下，當前通行的16S核糖體RNA基因測序和一些自動化生物信息分析難於顯示相近微生物屬種間的不同，很難揭示一些細微的基因重排。
但這種方法只能用來分析簡單的群落，比如理查曼德礦帶，其最大數量的菌種佔了整個群體的40%。而成人腸道含有數百種微生物，數量最大的菌種只佔4%。「但我們的研究並非不可進行。」瑞爾曼說，他想同樣細緻地分析人體微生物，早產嬰兒是實驗班菲爾德技術的最佳對象。每個早產新生兒體內菌種只有12種左右，與酸礦廢水相當，加強護理病房製造了一個無菌的、高度控制的環境來研究它們。
3人在一年前開始了合作，把班菲爾德的技術用在了早產新生兒身上，他們集中於健康嬰兒。莫羅維茨每天採集新生兒糞便樣本，分離DNA送到高通量測序中心，將數據發給班菲爾德和瑞爾曼；瑞爾曼用16S測序做菌種和數量普查；班菲爾德選擇一些節點作更詳細測序，分析種類和基因情況。
他們研究了孕28周早產嬰兒在前三周裡的生命情況，追蹤了微生物群在種類數量上詳細快速的變化，以查找是否存在某種特殊的細菌或菌群與NEC有關，並協助預測哪種嬰兒容易染病，進而找出預防辦法。進一步，他們希望繪製出新生兒腸道菌群的簡化模型，將這些生態原則擴展應用到人類的微生物系統中。
生態微生物學與人體微生物學交叉
瑞爾曼和其他研究人員在過去5年裡建立了人類微生物群落的遺傳目錄：哪種微生物生活在哪兒。數百種互相作用、互相促進的物種，生活在每個人的體表和體內，每個人的微生物群落之間還有重疊。
研究人員想知道在人體環境中，微生物在免疫功能、營養、藥物代謝方面，以及糖尿病、癌症、孤獨症和多倍體硬化症等疾病中的作用。為了進行這些研究，他們必須進行大量的基因測序，分析群落裡有哪些微生物，在一天之中它們如何變化，一生或飲食變化之後如何變化，某種微生物、微生物聯合以及微生物代謝物都有哪些功能等。
生態微生物學家給人類微生物界帶來了生態原則：殖民、繼承、回彈、兩個群體間的競爭與合作等。「科學問題確實存在交叉。」班菲爾德說：「比如殖民是指細菌首次到達居住地開始群體進化，這是一種生態上的連續性。當你看到一個酸礦廢水池塘的表面，想像一下最初的有機物種怎樣到達那裡，同樣可以想像新生嬰兒，最初如何被細菌入侵的。」
生態微生物學家開始研究人類腸道、皮膚、口腔及其他微生物群落，他們已經走出了土壤、海洋、有毒廢場等環境微生物領域。
生態微生物原則離臨床應用尚有距離
嬰兒一出生，首次暴露在微生物中之後，生命就開始受到無休止的圍攻。各種細菌、病毒和真菌將它們的殖民地開拓進人類的皮膚、眼睛、肺、胃腸道等每一處暴露的器官。瑞爾曼說：「在面對病原體時，我們必須克服『一種細菌一種病』的整體一維視角，菌群才是研究單位。」
人類細胞和他們的微生物搭檔作為一種互相促進的「超級有機體」，各自都為對方提供了服務。美國國家衛生研究院2007年末開始了一項為期5年的人類微生物組計劃(HMP)，致力於給人類龐大的微生物組測序。項目主管麗塔·普羅科特說：「要真正理解我們作為一個有機體的功能，需要包括人體的整個微生物群落，它們與我們的健康和生命息息相關，工作量比人類基因組還要大100倍。」今年研究人員完成了取自人體不同部位的178種微生物基因組的測序和分析，發現其基因編碼含有超過3萬種蛋白質。
儘管生態微生物學提供了一個框架來理解人類微生物群落，但它的所有方法和原則，離臨床應用都還有一定距離。即使研究人員找到了某種細菌和某種疾病之間的確切聯繫，也沒辦法通過清除一種細菌或引入另一種細菌的方法來控制細菌群落。抗生素傾向於殺死相關的細菌，而不能殺死一個菌群，更無法產生菌群或移植它們。
珍妮特·簡森是加利福尼亞大學伯克利分校的一位土壤微生物學家，正在研究造成克羅恩氏病腸道紊亂的相關細菌。研究小組的克萊爾·弗萊瑟-利格特說，「這些菌群有很強的適應性，能重新佔領被抗生素擾亂的環境嗎？我們如何檢測才能回答這個問題？在它們的回覆時期發生了什麼？所有這些問題可能需要生態微生物學家們花數十年研究時間來尋找答案。」