核酸研究發(fā)表我國(guó)微生物大數(shù)據(jù)平臺(tái)研究成果
2016年10月21日訊 中科院微生物研究所微生物資源與大數(shù)據(jù)中心
、世界微生物數(shù)據(jù)中心（WDCM）團(tuán)隊(duì)的研究論文，近日在線發(fā)表于《核酸研究》（SCI影響因子9.2）
，該論文題為“World Data Centre for Microorganisms: an information infrastructure to explore and utilize preserved microbial strains worldwide”（《世界微生物數(shù)據(jù)中心：探索和利用全球保藏微生物菌株的信息基礎(chǔ)設(shè)施》）
。微生物資源與大數(shù)據(jù)中心
、WDCM主任馬俊才為本文通訊作者。
微生物作為最簡(jiǎn)單的生命體
，是生命科學(xué)研究不可替代的基本材料
。微生物數(shù)據(jù)是微生物資源共享和開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)資源的豐富性
、準(zhǔn)確性和共享水平?jīng)Q定著整個(gè)微生物學(xué)領(lǐng)域研究和應(yīng)用的綜合能力。WDCM隸屬于國(guó)際生命科學(xué)聯(lián)盟（IUBS）下屬的世界微生物菌種保藏聯(lián)合會(huì)（WFCC）和聯(lián)合國(guó)教科文組織（UNESCO）下屬的國(guó)際微生物資源中心（MIRCEN）
，由世界菌種保藏聯(lián)盟在上世紀(jì)60年代建立
，是全球微生物領(lǐng)域最重要的實(shí)物資源數(shù)據(jù)平臺(tái)，也是我國(guó)生命科學(xué)領(lǐng)域唯一的一個(gè)世界數(shù)據(jù)中心
。
表我國(guó)微生物大數(shù)據(jù)平臺(tái)研究成果.png)
在本研究中
，團(tuán)隊(duì)以WDCM為平臺(tái)倡導(dǎo)全球微生物菌種保藏目錄（GCM）重大微生物數(shù)據(jù)資源國(guó)際合作計(jì)劃
，在為分散于全球各個(gè)保藏中心和科學(xué)家手中寶貴的微生物資源提供一個(gè)全球統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，并以統(tǒng)一數(shù)據(jù)門(mén)戶的形式
，對(duì)全世界科技界和產(chǎn)業(yè)界提供微生物菌種資源的信息服務(wù)
。目前已經(jīng)有來(lái)自美國(guó)、法國(guó)
、德國(guó)
、荷蘭等43個(gè)國(guó)家和地區(qū)的107個(gè)國(guó)際微生物資源保藏機(jī)構(gòu)正式參加這一計(jì)劃
。
在大數(shù)據(jù)整合技術(shù)研究方面，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了生物資源引用平臺(tái)系統(tǒng)
，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘手段
，從全球超過(guò)600 萬(wàn)已發(fā)表的微生物文獻(xiàn)、專利
、核酸序列和基因組中，進(jìn)一步提取了微生物資源的后續(xù)研究和利用的信息
，并開(kāi)發(fā)了參考菌株目錄
，作為一個(gè)跨平臺(tái)參考目錄，整合 ISO以及其他國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)菌種統(tǒng)一編號(hào)，推動(dòng)了全球菌種資源的高標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用
。該數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)于微生物實(shí)物資源從采集
、保藏、跨國(guó)轉(zhuǎn)移
、學(xué)術(shù)和商業(yè)應(yīng)用以及利益分 享的各個(gè)環(huán)節(jié)都能提供有效的數(shù)據(jù)支持
，為《名古屋議定書(shū)》在微生物領(lǐng)域的實(shí)施和執(zhí)行提供最重要的支撐。平臺(tái)及其相關(guān)的指導(dǎo)原則
，是國(guó)際上第一次形成一套完 善的可運(yùn)行的信息平臺(tái)方案
。WDCM在CBD/NP實(shí)施方面的相關(guān)工作
，也符合我國(guó)參與CBD工作的主要方向。
微生物大數(shù)據(jù)平臺(tái)目前已經(jīng)處于穩(wěn)定的運(yùn)行和服務(wù)階段
，在數(shù)據(jù)集成和服務(wù)機(jī)制上
，也進(jìn)行了積極的探索，使得該平臺(tái)能夠有效地在全球范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)資源的集成
，并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)
，WDCM作為一個(gè)合作平臺(tái)
，使我國(guó)科學(xué)家能夠在全球的角度，組織和協(xié)調(diào)各國(guó)的相關(guān)力量
，建立全球性的合作框架
，也讓中國(guó)有機(jī)會(huì)逐步在微生物資源的開(kāi)發(fā)應(yīng)用和數(shù)據(jù)共享方面占領(lǐng)國(guó)際微生物研究前沿和主導(dǎo)地位
。截至目前，平臺(tái)的累計(jì)訪問(wèn)次數(shù)已超過(guò)20萬(wàn)次
。
本研究得到國(guó)家863計(jì)劃《微生物數(shù)字化信息系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)》
、中國(guó)科學(xué)院信息化專項(xiàng)微生物領(lǐng)域云、中國(guó)科學(xué)院科技促進(jìn)發(fā)展局《世界微生物數(shù)據(jù)中心建設(shè)》等項(xiàng)目的支持
。
人類對(duì)微生物的發(fā)現(xiàn)與探索之路
人類對(duì)微生物的了解
、 探索 任重而道遠(yuǎn)
，對(duì)微生物組的研究有望為人類 健康 問(wèn)題和 社會(huì) 可持續(xù)發(fā)展提供新的解決之道。
地球上微生物的誕生可以追溯到35億年前
，遠(yuǎn)早于人類的誕生
。然而，人類與微生物卻“相識(shí)”甚晚
，自1676年荷蘭人列文虎克（Antony van Leeuwenhoek）用自制的簡(jiǎn)單顯微鏡觀察到細(xì)菌開(kāi)始，僅短短的幾百年
，但這一發(fā)現(xiàn)為人類揭開(kāi)了一個(gè)嶄新的世界
。
人類對(duì)微生物的利用
遠(yuǎn)早于對(duì)其的科學(xué)認(rèn)識(shí)
在列文虎克通過(guò)顯微鏡觀察到細(xì)菌之前，其實(shí)人類早已開(kāi)始了對(duì)微生物的利用
，只是未從科學(xué)角度對(duì)微生物的形態(tài)
、功能及作用機(jī)制進(jìn)行描述
。
早在上古時(shí)代
，我國(guó)就已開(kāi)始利用曲糵（發(fā)霉、發(fā)芽的谷粒）進(jìn)行釀酒
，但一直不知道曲糵的本質(zhì)所在
。考古學(xué)家在我國(guó)賈湖遺址的陶器沉積物中發(fā)現(xiàn)了酒石酸成分
，經(jīng)碳-14年代測(cè)定距今有9000多年
，說(shuō)明當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)開(kāi)始通過(guò)發(fā)酵釀造技術(shù)制作飲料
，是目前世界上發(fā)現(xiàn)的最早與酒有關(guān)的實(shí)物資料。公元6世紀(jì)
，賈思勰在《齊民要術(shù)》中明確記載了谷物制曲、釀酒
、制醬
、造醋、腌菜等利用微生物制作食品的方法
。
除了食品制作外
，我國(guó)人民很早就將微生物用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期
，勞動(dòng)人民從生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)腐爛在田里的雜草可以使莊稼長(zhǎng)得茂盛
，于是開(kāi)始用腐爛的野草和糞作為肥料；公元前1世紀(jì)
，世界現(xiàn)存最早的農(nóng)學(xué)著作《氾勝之書(shū)》曾提出
，利用瓜類和小豆間作的種植方法來(lái)提高作物產(chǎn)量
；《
神農(nóng)本草經(jīng)》記載了白僵蠶（即感染白僵菌而僵死的家蠶幼蟲(chóng)）的功效與用法；《左傳》也有關(guān)于用麥曲治療腹瀉病的記載
；《醫(yī)宗金鑒》則詳細(xì)記載了種痘防治天花的方法
。
西方國(guó)家也同樣有利用微生物的 歷史
，如公元前3000年左右，古埃及人就首先掌握了制作發(fā)酵面包
、釀制果酒的技術(shù)。盡管當(dāng)時(shí)人們通過(guò)日積月累的生活實(shí)踐
，已經(jīng)學(xué)會(huì)巧妙地利用微生物來(lái)改善自己的生產(chǎn)和生活
，但是他們并不知道這些方法的實(shí)質(zhì)是微生物在發(fā)揮作用。
顯微鏡的發(fā)明讓
人類與微生物相識(shí)
除了在生產(chǎn)
、生活實(shí)踐中利用微生物外
，人類也經(jīng)受著各種微生物制造的威脅，如瘟疫等
。但是
，當(dāng)時(shí)人們并不知道是微生物在其中“作怪”。盡管如此
，一些科學(xué)家還是預(yù)見(jiàn)到了某種未知的實(shí)體在其中發(fā)揮了作用
。1642年
，明末清初傳染病學(xué)家吳有性曾在其著作《瘟疫論》中提出傳染病“乃天地間別有一種異氣所感”
，并指出“氣即是物，物即是氣”
，對(duì)微生物的存在進(jìn)行了較為粗淺的預(yù)見(jiàn)
。
16世紀(jì)末
，簡(jiǎn)易的顯微鏡在荷蘭誕生
，但當(dāng)時(shí)人們并沒(méi)有將其應(yīng)用于科學(xué)研究中
。直到17世紀(jì)80年代
，列文虎克用其自制的可放大160倍的顯微鏡對(duì)雨水
、污水、血液
、腐敗了的物質(zhì)
、牙垢等進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)了許多“活的小動(dòng)物”
。他利用顯微鏡持續(xù)地對(duì)這些“活的小動(dòng)物”的具體形態(tài)進(jìn)行了觀察和詳細(xì)描述
，并將結(jié)果發(fā)表在《皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)學(xué)報(bào)》
，從此打開(kāi)了人類對(duì)微生物研究的大門(mén)。列文虎克也成為世界上第一個(gè)觀察到球形
、桿狀和螺旋形的細(xì)菌和原生動(dòng)物的人
。
在列文虎克之后，不少研究者也通過(guò)顯微鏡對(duì)微生物的形態(tài)等進(jìn)行了研究
，不斷充實(shí)和擴(kuò)大人類對(duì)微生物的認(rèn)知
。然而，在其后200年左右的時(shí)間里
，人類對(duì)微生物的認(rèn)識(shí)依舊停留在對(duì)其形態(tài)的描述上
，對(duì)它們的生理活動(dòng)
、作用規(guī)律以及它們是如何影響人類 健康 和生產(chǎn)實(shí)踐的仍一無(wú)所知。
對(duì)“自然發(fā)生說(shuō)”的否定
推動(dòng)了微生物學(xué)科的發(fā)展
盡管列文虎克等科學(xué)家開(kāi)啟了微生物研究的大門(mén)
，但千百年來(lái)普遍流行的“自然發(fā)生說(shuō)”依舊盛行，并于18世紀(jì)和19世紀(jì)達(dá)到了頂峰
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！白匀话l(fā)生說(shuō)”認(rèn)為，生物可以從無(wú)生命物質(zhì)或有機(jī)物中自然發(fā)生
，而不是通過(guò)上一代此類生物繁衍產(chǎn)生
。
“微生物學(xué)之父”
、法國(guó)科學(xué)家巴斯德（Louis Pasteur）并不這樣認(rèn)為。1859年
，他巧妙地設(shè)計(jì)了著名的曲頸瓶實(shí)驗(yàn)對(duì)“自然發(fā)生說(shuō)”進(jìn)行了反駁
。在實(shí)驗(yàn)中，他選擇了曲頸瓶與直頸瓶進(jìn)行對(duì)比
，在兩個(gè)瓶?jī)?nèi)都裝入肉汁
，分別用火加熱
，通過(guò)高溫對(duì)肉汁及燒瓶殺菌
，結(jié)果曲頸瓶由于頸部彎曲且較長(zhǎng)，使空氣中的微生物在側(cè)管沉積而不能進(jìn)入燒瓶
，煮過(guò)的肉汁不再和空氣中的細(xì)菌接觸
，并未發(fā)生腐敗，而直頸瓶?jī)?nèi)的肉汁則很快發(fā)生了腐敗
。這個(gè)實(shí)驗(yàn)有力地反駁了“自然發(fā)生說(shuō)”
，證明了微生物在腐敗食品上并不是自發(fā)產(chǎn)生的。巴斯德在研究制酒時(shí)酒為什么會(huì)變酸的過(guò)程中
，證明了并非發(fā)酵產(chǎn)生微生物
，而是微生物引起了發(fā)酵，并發(fā)現(xiàn)環(huán)境
、溫度
、pH值
、基質(zhì)成分以及有毒物質(zhì)等因素都以特有的方式影響著不同的微生物。為了解決酒變酸這一問(wèn)題
，他發(fā)明了“巴氏滅菌法”
，即利用較低溫度做短時(shí)間加熱處理，殺死有害微生物的同時(shí)又能保持食品中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)風(fēng)味不變的消毒法
。這種方法至今仍在食品生產(chǎn)中被廣泛使用
。
巴斯德還一直致力于致病微生物及免疫方法的研究
，開(kāi)創(chuàng)人類防治傳染病的新時(shí)代。19世紀(jì)50年代起
，巴斯德通過(guò)對(duì)蠶病、牛羊炭疽病
、雞霍亂和人狂犬病等傳染病病因的探究試驗(yàn)對(duì)“疾病細(xì)菌學(xué)說(shuō)”進(jìn)行論證
，證明了微生物是引起傳染性疾病的媒介
。1881年，巴斯德公開(kāi)演示證明了給 健康 的牛注射毒性減弱的炭疽桿菌
，會(huì)使這種病發(fā)作輕微但不致命
，之后還會(huì)使牛對(duì)此病產(chǎn)生免疫力。這次演示引起了醫(yī)療界和 社會(huì) 的巨大轟動(dòng)
，為人類與傳染病的斗爭(zhēng)提供了新的武器
。隨后
，他又成功地研制出雞霍亂疫苗、狂犬病疫苗等多種疫苗
，拯救了無(wú)數(shù)的生命
，為免疫學(xué)的創(chuàng)立奠定了基礎(chǔ)。
在巴斯德以實(shí)踐論證“疾病細(xì)菌學(xué)說(shuō)”的同時(shí)
，德國(guó)醫(yī)生科赫（Robert Koch）于1876年在《植物生物學(xué)》雜志上發(fā)表了關(guān)于炭疽桿菌的研究成果
，引起巨大的反響
。這是人類 歷史 上第一次用科學(xué)的方法證明某種特定的微生物是某種特定疾病的病原?div id="jfovm50" class="index-wrap">？坪帐紫葟呐５钠⑴K中找到了引起炭疽病的炭疽桿菌
，并把其移種入老鼠體內(nèi)，使老鼠之間相互感染炭疽病
，最后又從其他老鼠體內(nèi)找到了同樣的炭疽桿菌
。隨后
，科赫成功地利用血清在與牛體溫相同的條件下培養(yǎng)了炭疽桿菌，并發(fā)現(xiàn)了炭疽桿菌的生活規(guī)律
。1881年
，科赫發(fā)明了固體培養(yǎng)基劃線分離純種法，解決了液體培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)菌時(shí)各種細(xì)菌混合生長(zhǎng)難以分離的問(wèn)題
，這種方法的發(fā)明使得多種傳染病病原菌相繼被發(fā)現(xiàn)
。為了更加清晰地對(duì)細(xì)菌的形態(tài)進(jìn)行觀察
，科赫對(duì)細(xì)菌試驗(yàn)的方法進(jìn)行了改進(jìn)，如干燥方法
、染色方法等
，還建立了懸滴標(biāo)本檢查法和顯微攝影技術(shù)。此外
，科赫還提出了一套系統(tǒng)的研究方法——“科赫原則”
。這些研究和技術(shù)方法至今仍在使用，為微生物學(xué)研究奠定了方法學(xué)基礎(chǔ)
。研究者開(kāi)始運(yùn)用“實(shí)踐—理論—實(shí)踐”的思想方法開(kāi)展微生物研究工作
，并建立了許多應(yīng)用性分支學(xué)科
，如細(xì)菌學(xué)、真菌學(xué)
、土壤微生物學(xué)等
。這不僅豐富了微生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容
，大大加速了微生物學(xué)的發(fā)展，也使得19世紀(jì)70年代到20世紀(jì)20年代成為病原菌發(fā)現(xiàn)的黃金時(shí)代
，大量的病原菌浮出水面
，使人類對(duì)疾病有了更深的認(rèn)識(shí)。
青霉素的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用
推動(dòng)了微生物工業(yè)化培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展
1897年
，德國(guó)生物化學(xué)家布赫納（Edward Buchner）用酵母菌無(wú)細(xì)胞壓榨汁對(duì)葡萄糖進(jìn)行酒精發(fā)酵獲得成功
，證明了發(fā)酵過(guò)程主要是依靠酵素而不是酵母細(xì)胞發(fā)揮作用
，從而發(fā)現(xiàn)了酒化酶，將微生物學(xué)從生理研究階段推進(jìn)到了生化研究階段
。隨后
，研究者開(kāi)始廣泛尋找微生物的有益代謝產(chǎn)物
，許多酶、輔酶
、抗生素都是在這一時(shí)期被發(fā)現(xiàn)的
。這些發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了普通微生物學(xué)的形成
。
這一階段，最有代表性的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明當(dāng)數(shù)青霉素
。19世紀(jì)
，工業(yè)革命大大提高了人們的生活水平
，但細(xì)菌感染導(dǎo)致的死亡率居高不下。在這個(gè)沒(méi)有抗菌藥物的時(shí)期
，面對(duì)肆虐的疫情
，人們束手無(wú)策
。19世紀(jì)末至20世紀(jì)初期，盡管人類已經(jīng)開(kāi)始采用苯酚
、硼酸、醇類進(jìn)行手術(shù)消毒
，大大降低了術(shù)后患者的死亡率
，但這類消毒試劑并不能深入病灶
，對(duì)于已經(jīng)存在的細(xì)菌感染仍無(wú)法治愈。1908年
，德國(guó)科學(xué)家埃爾利希（Paul Ehrlich）發(fā)現(xiàn)了化合物砷礬納明可用于治療梅毒
，拉開(kāi)了人類尋找抗菌藥物的序幕
。
1928年，英國(guó)細(xì)菌學(xué)家弗萊明(Alexander Fleming)意外發(fā)現(xiàn)在他的實(shí)驗(yàn)室里有一個(gè)葡萄球菌培養(yǎng)基受到了一種霉菌的污染
，培養(yǎng)基中受污染區(qū)域里的葡萄球菌消失了
。經(jīng)過(guò)幾天的觀察
，弗萊明發(fā)現(xiàn)霉菌逐漸發(fā)展成了菌落，培養(yǎng)湯呈淡黃色
，還具有了殺菌能力。于是
，他推斷真正的殺死葡萄球菌的物質(zhì)應(yīng)該是霉菌生長(zhǎng)過(guò)程中的代謝產(chǎn)物
。他將這種代謝產(chǎn)物命名為青霉素
，并發(fā)現(xiàn)青霉素能抑制多種有害細(xì)菌的生長(zhǎng)，對(duì)人和動(dòng)物卻無(wú)毒
。1929年弗萊明將其研究結(jié)果發(fā)表在《英國(guó)實(shí)驗(yàn)病理學(xué)雜志》上，盡管當(dāng)時(shí)并未引起學(xué)術(shù)界的高度重視
，但弗萊明堅(jiān)信青霉素將會(huì)有重要的用途
。由于弗萊明當(dāng)時(shí)并沒(méi)有對(duì)青霉素治療效果開(kāi)展系統(tǒng)性的觀察試驗(yàn)，且他并不了解生化技術(shù)
，無(wú)法將青霉素提取和純化
，難以在實(shí)際中應(yīng)用
，這一成果就這樣被埋沒(méi)了10多年。
20世紀(jì)40年代
，澳大利亞裔英國(guó)病理學(xué)家弗洛里（Howard Florey）和德裔英國(guó)生物化學(xué)家錢(qián)恩（Ernst Chain）偶然發(fā)現(xiàn)了弗萊明的論文
，產(chǎn)生了極大的興趣
。他們重復(fù)了弗萊明的試驗(yàn)
，對(duì)青霉素進(jìn)行了提取和純化
，并進(jìn)行了動(dòng)物試驗(yàn)
。1940年8月
，他們將研究的全部成果發(fā)表在《柳葉刀》雜志上，被醫(yī)學(xué)史上稱作“青霉素的二次發(fā)現(xiàn)”
。1941年2月
，他們成功地運(yùn)用青霉素治愈了一位因劃破了臉導(dǎo)致傷口感染而患了敗血癥的警察
。盡管試驗(yàn)清楚地表明了這種新藥具有驚人的效力，但單靠實(shí)驗(yàn)室提取
，并不能滿足人類的需求
。隨著第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)
，英國(guó)、美國(guó)政府意識(shí)到要想將青霉素廣泛地應(yīng)用于各種疾病以及傷員救治中
，就必須實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)
。在美國(guó)政府的鼓勵(lì)和制藥企業(yè)的參與下
，青霉素得以大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用到戰(zhàn)爭(zhēng)傷員的治療中，并逐步在公民醫(yī)療中使用
，惠及全世界
。青霉素的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用開(kāi)啟了一場(chǎng)從自然界天然菌體中篩選出抗生素的運(yùn)動(dòng)，鏈霉素
、頭孢菌素
、萬(wàn)古霉素
、紅霉素等天然抗生素相繼被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，人類終于在與致病細(xì)菌的搏斗中略占上風(fēng)
。
DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的
建立使微生物研究進(jìn)入分子水平
1928年
，英國(guó)細(xì)菌學(xué)家格里菲斯（Frederick Griffith）通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)把活的RⅡ型無(wú)毒肺炎雙球菌株和死的SⅢ型有毒株
，混合注射至 健康 小鼠體內(nèi)
，小鼠患病死亡
，且能從小鼠體內(nèi)提取出活的SⅢ型有毒株
，并且這種有毒株能世代繁衍，即細(xì)菌轉(zhuǎn)化現(xiàn)象
。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制
，格里菲斯并沒(méi)有確定究竟是什么物質(zhì)導(dǎo)致了細(xì)菌轉(zhuǎn)化
，但格里菲斯的試驗(yàn)為后來(lái)證實(shí)DNA就是遺傳物質(zhì)提供了寶貴的思路
。隨著化學(xué)提純等技術(shù)的進(jìn)步
，美國(guó)科學(xué)家艾弗里（Oswald Avery）
、麥克勞德（Colin Macleod）和麥卡蒂（Maclyn McCarty）對(duì)格里菲斯的工作進(jìn)行了延伸
，成功解釋了細(xì)菌轉(zhuǎn)化的原因，證明了引起轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的是細(xì)胞內(nèi)的脫氧核糖核酸分子
，而非當(dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為的蛋白質(zhì)
，開(kāi)啟了分子遺傳學(xué)研究的大門(mén)
。1953年
，英國(guó)生物學(xué)家克里克（Francis Crick）和美國(guó)分子生物學(xué)家沃森（James Watson）建立的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，讓人們真正了解了遺傳信息的構(gòu)成和傳遞的途徑
，正式開(kāi)啟了分子生物學(xué)時(shí)代
。
在科學(xué)家破解“遺傳的秘密”的同時(shí)，1933年
，德國(guó)物理學(xué)家魯斯卡（Ernst Ruska）研制出了世界首臺(tái)電子顯微鏡
，讓人類能夠更加清楚地認(rèn)識(shí)微生物細(xì)胞的詳細(xì)結(jié)構(gòu)
，為 探索 更加微觀的生物世界奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)
。微生物學(xué)研究便逐漸成為生物學(xué)研究領(lǐng)域的“明星”
，被推到了整個(gè)生命科學(xué)發(fā)展的前沿
，獲得了迅速的發(fā)展
，大約1/3的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者都是由于其在微生物問(wèn)題研究中獲得的成就而獲得殊榮
。
1946年，美國(guó)遺傳學(xué)家萊德伯格（Joshua Lederberg）與塔特姆（Edward Tatum）通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的遺傳重組
。他們把兩個(gè)需要不同生長(zhǎng)因子的大腸桿菌營(yíng)養(yǎng)缺陷型混合培養(yǎng)在基本培養(yǎng)基上時(shí)出現(xiàn)了野生型
，而分別培養(yǎng)時(shí)則從未出現(xiàn)
，從而說(shuō)明了遺傳重組的普遍性
。1952年，萊德伯格發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的F因子
，揭示了作為供體細(xì)胞的細(xì)菌可以把遺傳物質(zhì)傳遞給作為受體細(xì)胞的細(xì)菌
。萊德伯格的一系列研究證明了特定細(xì)菌可通過(guò)雜交方式進(jìn)行繁殖
，有力地反駁了當(dāng)時(shí)科學(xué)界認(rèn)為的“細(xì)菌太過(guò)簡(jiǎn)單
，不適合進(jìn)行遺傳分析研究”的觀點(diǎn)
。此外
，萊德伯格在研究中還創(chuàng)立了一套強(qiáng)有力的細(xì)菌遺傳學(xué)試驗(yàn)方法
，為細(xì)菌遺傳學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)
，后續(xù)對(duì)細(xì)菌遺傳學(xué)的研究大多基于這一試驗(yàn)方法開(kāi)展
。
1977年
，美國(guó)科學(xué)家烏斯（Carl Woese）率先利用核糖核酸（RNA）研究原核生物的進(jìn)化關(guān)系，提出了“生物三域理論”
，即可將自然界的生命分為細(xì)菌
、古生菌和真核生物三域
，揭示了各種微生物之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系
，使微生物學(xué)研究進(jìn)入成熟階段。在這一階段
，研究者更多地在基因和分子水平上研究和揭示微生物的生命活動(dòng)規(guī)律
，包括研究微生物大分子結(jié)構(gòu)和功能
，不同生理類型微生物的各種代謝途徑
、代謝活動(dòng)等，微生物的形態(tài)構(gòu)建和分化
、病毒的裝配以及微生物的進(jìn)化等
。
微生物學(xué)的基礎(chǔ)理論和獨(dú)特實(shí)驗(yàn)技術(shù)催生了大量理論性、交叉性
、應(yīng)用性和實(shí)驗(yàn)性分支學(xué)科飛速發(fā)展
。同時(shí)
，人類在應(yīng)用微生物改善生產(chǎn)
、生活方面，也朝著更有效
、更可控的方向發(fā)展
，如以大腸桿菌等細(xì)菌細(xì)胞為工具進(jìn)行基因轉(zhuǎn)移
、編輯等
，或通過(guò)基因工程技術(shù)開(kāi)發(fā)菌種資源提高發(fā)酵工程效率
。
新一輪 科技 革命的
戰(zhàn)略前沿領(lǐng)域——微生物組
人類對(duì)微生物的研究已超過(guò)百年，越來(lái)越多的研究表明了微生物在人類生產(chǎn)
、生活中的重要作用。然而
，盡管隨著顯微技術(shù)、成像技術(shù)
、測(cè)序技術(shù)等的不斷發(fā)展
，人類對(duì)微生物的研究經(jīng)歷了從生理
、生化到分子層面的演進(jìn)
，但我們對(duì)微生物依然缺乏了解，從數(shù)量上看目前人類所認(rèn)知的微生物還不足其總量的1%
。
隨著人類對(duì)生命奧秘的 探索 越來(lái)越深入
、越來(lái)越迫切
，生命科學(xué)與其他科學(xué)的融合交叉也越來(lái)越密切
，基因組學(xué)
、蛋白質(zhì)組學(xué)等研究逐步形成體系，把單個(gè)生命體作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)
、把生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)有機(jī)整體進(jìn)行研究
，已成為當(dāng)今生命科學(xué)研究的主要特征
，對(duì)微生物的研究也是如此
。目前，學(xué)術(shù)界界定的微生物組是指一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中全部微生物資源及生命信息
，包括它們與其環(huán)境中生物和非生物因子之間的各種關(guān)系
?div id="jfovm50" class="index-wrap">？梢哉f(shuō)，從人到地球生態(tài)系統(tǒng)的各種大大小小的系統(tǒng)中
，微生物組無(wú)處不在
，且互相緊密結(jié)合
，微生物組的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和正常運(yùn)轉(zhuǎn)是人類 健康
、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要保障
。
自2007年美國(guó)啟動(dòng)“人類微生物組計(jì)劃”以來(lái)，加拿大
、日本
、法國(guó)
、歐盟
、中國(guó)積極參與
，并先后啟動(dòng)了相關(guān)的微生物組計(jì)劃
，足以說(shuō)明世界各國(guó)已將微生物組研究作為戰(zhàn)略 科技 前沿領(lǐng)域。從研究方式看
，微生物組更加強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉會(huì)聚和跨領(lǐng)域的合作研究
。從技術(shù)手段看
，除了培養(yǎng)組學(xué)
、高通量測(cè)序和生物信息技術(shù)等為代表的新一代微生物學(xué)技術(shù)外
，宏基因組學(xué)技術(shù)在微生物組研究中也發(fā)揮了重要作用
，它運(yùn)用功能基因篩選或測(cè)序分析等手段，通過(guò)對(duì)環(huán)境樣品中的微生物群體基因組進(jìn)行研究
，對(duì)微生物多樣性
、種群結(jié)構(gòu)
、進(jìn)化關(guān)系
、功能活性
、相互協(xié)作關(guān)系及與環(huán)境之間的關(guān)系進(jìn)行解析
。從應(yīng)用前景看，目前微生物組研究主要圍繞系統(tǒng)解析微生物組的結(jié)構(gòu)和功能
、厘清相關(guān)調(diào)控機(jī)制等方面開(kāi)展
，并逐步形成了從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的創(chuàng)新鏈條
。以被稱為“人類第二基因組”的人類微生物組為例
，現(xiàn)有研究表明人體微生物組在消化
、代謝、免疫
、疾病預(yù)防和治療等方面都發(fā)揮著重要作用
。目前
，腸道菌群檢測(cè)已經(jīng)轉(zhuǎn)化為臨床技術(shù)
，可用于癌癥篩查
、疾病治療和藥物開(kāi)發(fā)等方面
。同時(shí)
，在代謝病治療，尤其是肥胖癥和糖尿病的治療上
，微生物組的研究成果也發(fā)揮了重要作用
。
為了更大限度地發(fā)掘和研究不同生態(tài)系統(tǒng)中的微生物組資源
，2016年5月美國(guó)宣布啟動(dòng)“國(guó)家微生物組計(jì)劃”以支持跨學(xué)科研究
，開(kāi)發(fā)平臺(tái)技術(shù)
，解決不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物的基本問(wèn)題
，并提高微生物數(shù)據(jù)的訪問(wèn)等
。我國(guó)也非常重視對(duì)微生物組的研究
，《“十三五”國(guó)家 科技 創(chuàng)新規(guī)劃》就將人體微生物組研究擺在了重要位置
，明確提出了“開(kāi)展人體微生物組解析及調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)研究”的任務(wù)
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！丁笆濉鄙锛夹g(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》還確定了“力爭(zhēng)在微生物組學(xué)技術(shù)等方面取得重大突破
，使相關(guān)研究水平進(jìn)入世界先進(jìn)行列”的目標(biāo)要求
。2017年12月，“中國(guó)科學(xué)院微生物組計(jì)劃”正式啟動(dòng)
，該計(jì)劃匯集了國(guó)內(nèi)微生物組研究領(lǐng)域的權(quán)威機(jī)構(gòu)
，包括中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院
、中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所
、北京協(xié)和醫(yī)院等14家機(jī)構(gòu)
，聚焦“人體和環(huán)境 健康 ”微生物組研究
，為人類 健康 問(wèn)題和 社會(huì) 可持續(xù)發(fā)展提供新的解決之道?div id="d48novz" class="flower left">
？梢灶A(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)
，微生物組研究的相關(guān)成果和技術(shù)將更加廣泛地滲透到醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)
、能源
、工業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域
，成為破解人類 健康
、環(huán)境生態(tài)、資源瓶頸
、糧食保障等重大問(wèn)題的重要路徑
。
無(wú)處不在的微生物與人類共同生存了數(shù)百萬(wàn)年，它們?cè)旄Ｓ谌祟?div id="4qifd00" class="flower right">
，也曾給人類造成毀滅性的災(zāi)難
，始終保持著“亦敵亦友”的奇妙關(guān)系。人類對(duì)微生物的了解
、 探索 任重而道遠(yuǎn)
，對(duì)微生物組的研究也許正是我們打開(kāi)未知世界大門(mén)的鑰匙，我們期待著微生物組的研究能夠幫助人類更好地了解微生物
、利用微生物以應(yīng)對(duì)當(dāng)今和未來(lái)所面臨的巨大挑戰(zhàn)
。
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我國(guó)科技發(fā)展成就
新中國(guó)成立52年以來(lái)
，特別是改革開(kāi)放以來(lái)
，我國(guó)科技事業(yè)取得了輝煌成就
。
1．形成了比較完整的科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)體系，整體科技發(fā)展水平位居發(fā)展中國(guó)家前列
。2000年國(guó)內(nèi)科學(xué)研究與試驗(yàn)發(fā)展(R&D)經(jīng)費(fèi)總支出為896億元
，占當(dāng)年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的比重為1．0％，躍居發(fā)展中國(guó)家前列
。在R&D經(jīng)費(fèi)總支出中
，基礎(chǔ)研究占5．2％；應(yīng)用研究占17．0％
；試驗(yàn)發(fā)展占77．8％
。其中各類企業(yè)支出占國(guó)內(nèi) R&D經(jīng)費(fèi)總支出的60．3％，已經(jīng)接近發(fā)達(dá)國(guó)家的水平
，表明企業(yè)逐步成為我國(guó)R&D活動(dòng)的主體
。
目前，已建成國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室217個(gè)(其中包括國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室60個(gè))
、國(guó)家工程中心 188個(gè)，認(rèn)定國(guó)家級(jí)企業(yè)技術(shù)中心294個(gè)
；國(guó)際權(quán)威檢索機(jī)構(gòu)收錄的我國(guó)科技論文數(shù)44536篇
，本國(guó)居民的專利授權(quán)量92101件，其中發(fā)明專利 3097件
。2000年
，高新技術(shù)產(chǎn)品出口額247億美元；53個(gè)國(guó)家級(jí)高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)的技工貿(mào)總收入6774．8億元
，工業(yè)增加值1476．2億元
。
2．科技體制改革取得了突破性進(jìn)展，國(guó)家確定的科技體制改革階段性目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)
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？萍脊ぷ鞯膽?zhàn)略重點(diǎn)正在轉(zhuǎn)向國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)主戰(zhàn)場(chǎng)，企業(yè)科技力量得到進(jìn)一步加強(qiáng)
，242個(gè)國(guó)家級(jí)技術(shù)開(kāi)發(fā)類研究院所已基本完成轉(zhuǎn)制工作
，多數(shù)科研機(jī)構(gòu)的運(yùn)作直接面向市場(chǎng)需求，知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)取得初步成效
，高校管理體制改革基本完成
，科技資源得到了優(yōu)化配置；民營(yíng)科技企業(yè)迅速崛起
，技術(shù)市場(chǎng)發(fā)展迅猛
；宏觀科技管理體制逐步完善，適應(yīng)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的新型科技體制初步形成
，國(guó)家創(chuàng)新體系的建設(shè)正在逐步展開(kāi)
。
3．基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域取得成果
。人類基因測(cè)序、納米碳管和納米新材料
、寒武紀(jì)生命大爆發(fā)研究
、微機(jī)電系統(tǒng)研究、南海大洋鉆探等方面取得了重大成果
。表面科學(xué)非線性科學(xué)
、認(rèn)知科學(xué)以及地球系統(tǒng)科學(xué)等新興交叉學(xué)科得到迅速發(fā)展。中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程
、大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡等八項(xiàng)國(guó)家重大科學(xué)工程的建設(shè)
，為我國(guó)的基礎(chǔ)科學(xué)研究創(chuàng)造了良好條件。
4．高技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化方面有所突破
。載人航天技術(shù)
、運(yùn)載火箭及衛(wèi)星技術(shù)等航天高技術(shù)取得了重大突破。兩系法雜交水稻
、基因工程藥物
、轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物、重大疾病的相關(guān)基因測(cè)序和診斷治療等技術(shù)的突破
，使我國(guó)生物技術(shù)總體水平接近發(fā)達(dá)國(guó)家
。高清晰度電視、"神威"計(jì)算機(jī)
、大尺寸單晶硅材料
、皮膚干細(xì)胞再生技術(shù)等重大成就的取得，使我國(guó)在相應(yīng)領(lǐng)域躍入世界先進(jìn)行列
。國(guó)防科技的發(fā)展為增強(qiáng)國(guó)防實(shí)力奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)
，促進(jìn)了國(guó)防工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。
5．工農(nóng)業(yè)科技獲得進(jìn)展
。農(nóng)業(yè)科技方面
，僅"九五"期間共培育出600多個(gè)新品種，單產(chǎn)增產(chǎn)10％左右
。推廣水稻旱育稀植和節(jié)水技術(shù)
、ABT植物調(diào)節(jié)劑和小麥旱地全生育期地膜覆蓋栽培等重大技術(shù)，有力地保障了我國(guó)糧食增產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)
。
工業(yè)科技取得了若干重大技術(shù)突破
，提升了重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平。數(shù)字程控交換機(jī)
、氧煤強(qiáng)化煉鐵技術(shù)
、鎳氫電池、非晶材料等的產(chǎn)業(yè)化方面獲得一系列重大成果。結(jié)合三峽工程
、國(guó)民經(jīng)濟(jì)信息化
、集成電路、泰山核電站二期等一系列國(guó)家重大建設(shè)工程
，通過(guò)引進(jìn)
、消化吸收與創(chuàng)新，攻克了一批關(guān)鍵技術(shù)
，掌握了若干重大成套技術(shù)裝備的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)
。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)等一批重大共性技術(shù)的推廣應(yīng)用
，大幅度提高了企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力
。創(chuàng)新藥物、水資源利用和保護(hù)
、小康住宅
、夏商周斷代工程等一批重大項(xiàng)目的實(shí)施，中國(guó)科技館二期工程及一批科普設(shè)施的建設(shè)
，為社會(huì)事業(yè)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)
。
我國(guó)科技發(fā)展的重大成就
（一） 背景材料
1．人類基因研究成就巨大
?div id="jfovm50" class="index-wrap">。?） 1999年12月1日
，由英、美
