物種身上的微生物與其健康之間有沒有聯(lián)系？這是美國科羅拉多大學微生物學家羅布·耐特想找破解的謎團。耐特在世界各地從野生動物身上提取細菌樣本，然后帶到實驗室進行分析。

 

耐特是微生物醫(yī)學領域的權威，被譽為“基因序列機器”。他首先把各種微生物的基因序列破譯出來，然后通過計算工作與物種身上的微生物進行比較，從而發(fā)現(xiàn)微生物與其健康之間的聯(lián)系。他希望通過這種方法，找到微生物與物種健康之間的內(nèi)在聯(lián)系，進而找到物種保護的好方法。

 

野生動物身體上提取樣本

   

進行基因排序并比對結果

 

蜥蜴、鍵盤和臉，耐特喜歡對任何事物身上的微生物進行基因排序。下一步，他準備給地球排序。

 

羅布·耐特需要科莫多巨蜥的唾液。但他不知道這條一米長的危險的青年蜥蜴會不會服從他的指令。耐特拿著一個白色棉簽小心翼翼地接近這條生活在科羅拉多丹佛動物園的巨獸，并在它的舌頭一吐一吸過程中試探著取到了這只巨蜥的唾液。耐特把棉簽放進一個經(jīng)消毒過的玻璃試管，打開另一個試管并繼續(xù)收集巨蜥頭上和腹部的樣本。樣本包括生活在這只爬行巨蜥的口部、腸道和皮膚的上病毒和細菌。

 

依靠位于自己在科羅拉多大學波爾得分校的實驗室，耐特將把上述微生物群體的基因進行排序，最后把在野生巨蜥上發(fā)現(xiàn)的微生物進行比較，研究這些微生物是否影響并如何影響動物的生存，還有圈養(yǎng)的雌性獸類為何易于“英年早逝”。

 

如果物種的微生物和健康有某種關聯(lián)，那么耐特專注于該項研究。耐特是微生物組研究這門新興科學的領軍人物，他已經(jīng)幫助發(fā)現(xiàn)了肥胖人群和消瘦人群腸道細菌的差異。他發(fā)現(xiàn)，人體腸道微生物產(chǎn)生顯著差異的主要源于人們生活的外部環(huán)境。他記錄下剖腹產(chǎn)和順產(chǎn)的嬰兒體內(nèi)微生物的重大差異。在人體外部，耐特已發(fā)現(xiàn)，微生物在自然和人造環(huán)境下的差異，研究對象包括剛落到地面的雪到計算機鍵盤和浴室的地板。耐特堅持不懈地進行研究，僅在2011就發(fā)表或聯(lián)合發(fā)表了49項研究文獻。

 

耐特對這樣的指責很敏感他做的僅為微生物調(diào)查而非嚴謹?shù)募俣z驗。他說：“我們不做沒有科學價值的研究。真正推動我們是，了解微生物世界有助于提升人類和環(huán)境健康。”他表示，研究微生物群有助于解決一些社會問題，比如說治療肥胖和營養(yǎng)不良。

 

地球微生物群研究工程

 

測序20萬個環(huán)境樣本

 

從2010年開始，耐特就開始了至今為止最宏大的微生物群的研究工作：地球微生物群研究工程。該工程是對來自20萬個世界環(huán)境樣本（土壤和水體）的微生物群落進行測序和識別的聯(lián)合研究行動。耐特稱，該行動由位于伊利諾伊州的美國能源部所屬的阿剛尼國家實驗室的環(huán)境微生物學家杰克·吉爾伯特領導，將研究地球上支撐微生物生命所必需的蛋白質的主要目錄、50萬個重建微生物基因組和全球范圍內(nèi)的微生物代謝模式制作。

 

為了完成地球微生物群工程，耐特與另個兩位生物學家鼓勵全球微生物學家收集樣本送給他們研究。他們已經(jīng)收到6萬樣本，包括太平洋的深海沉淀物到阿拉斯加貓頭鷹巢穴。研究者用美國能源部提供的300萬元資助和其他私人贊助，已把1.5萬個樣本進行了排序。

 

地球微生物群工程不只是一個實驗工程。該計劃的目的是收集假定數(shù)據(jù)群，比如一些樣本來自己澳大利亞古老和遭受破壞的海岸，這些樣本用來檢測海藻生病數(shù)量下降是否對其他有機體產(chǎn)生致命打擊。通過比對數(shù)據(jù)群，研究團隊應該可以檢測出適應面更廣的假設，比如樣本中主要的微生物是否具有最重要的功能。耐特還在盡可能繼續(xù)擴充自己的樣本。

 

“耐特和吉爾伯特談起了他們將讓整個世界都變得充實的工程?？雌饋砗苡形η也蝗菀鬃龅?，但他們卻不畏艱險，開始做起來了?！奔又荽髮W的進化微生物學家約納森·艾森說?！澳吞厥腔驕y序前沿領域進行勇敢探索的少數(shù)幾個人之一?！?/SPAN>

 

現(xiàn)年35歲的耐特教授興趣廣泛，思維活躍，話題可以從用以估算死亡時間的微生物轉向登上國際空間站去測下那里的微生物生命。他的青年時代在新西蘭度過，那時起對化石、化學和計算機有濃厚興趣。“我從未只對一件事感興趣，從未有過把科學分為生物學和物理學這樣的想法。”耐特說。他以前普林斯頓大學從事分析基因序列的進化工作。 他的一位同事說，2000年的一天凌晨兩點聽到耐特解決了一個計算課題后興奮得大喊大叫。這個通過對生命各領域600個物種進行編碼蛋白測序的課題說明，排列和選擇中的簡單規(guī)則能解釋基因的主要困擾：為何不同的有機體在相同的氨基酸下傾向擁有不同的編碼序列。

 

2001年耐特轉至科羅拉多大學波爾得分校，在那里他的小組通過給16S 核糖體RNA測序研究微生物的多樣性。耐特認識到，雖然微生特的大量測序工作已啟動，但如何處理這理數(shù)據(jù)得出科學的結論是個重大挑戰(zhàn)。于是，他開發(fā)了一種軟件，通過建立每種樣本序列的進化樹比對兩種微生物群的差異。用這種方法，研究者發(fā)現(xiàn)胖白鼠與瘦白鼠的腸微生物種群不同。這個研究成果已成為該領域的經(jīng)典分析方法?！斑@種方法之前，我們只是簡單比對下物種，但是明白物種是否相關才會給我們對生物群更深圳的理解?！笨的螤柎髮W的一位微生物專家說。

 

耐特對腸道寄居物很感興趣，他又幫助開設了人類微生物群工程的教程，這項教程由美國國立衛(wèi)生研究院資助1.15億美元，用來對寄居在人體的幾十萬億微生物進行測序。

 

耐特還需要大量處理數(shù)據(jù)。他和同事證明人體腸道、口腔、耳朵和其他器官的細菌大不相同。在對包括袋鼠、斑馬等步入類動物的糞便進行研究后，耐特研究小組發(fā)現(xiàn)，無論是肉食動物、草食動物還是雜食動物，他們體內(nèi)的微生物群屬于厭食類生命。

 

耐特繼續(xù)軟件開發(fā)用于處理現(xiàn)代排序技術帶來日益增大的數(shù)據(jù)。其中一個軟件包叫做微生物生態(tài)學數(shù)量觀測法，用于即時比對原始排序，確定物種，建立系統(tǒng)進化樹，視覺化數(shù)據(jù)。

 

營養(yǎng)不良和腸道疾病項目 得到蓋茨基金會巨額資助

   

耐特的另一個革新是發(fā)現(xiàn)如何把排序數(shù)據(jù)與包括酸堿度、環(huán)境、氣溫和收集時間在內(nèi)的樣本的元數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，這樣最大量的信息就可以儲存并用以分析。耐特鼓勵人們聯(lián)合起來，在研究時把獲取的信息用標準化形式表現(xiàn)出來并加以比對。

 

耐特的研究成果定會讓人大吃一驚：2010年，一家流行的偵探電視節(jié)目展示了耐特與另一名微生物專家合作開發(fā)的技術。他們用上述技術把留在計算機鍵盤上細菌指紋與個人一一對應起來。耐特團隊還由于下列工作被廣為關注：繪制覆蓋在人臉（從額頭到嘴唇）的微生物；研究記錄緬甸蟒的腸道微生物群在3天中消化一只老鼠時如何由饑餓變?yōu)轱柌湍Ｊ健?/SPAN>

 

耐特承認自己也是收集到用于檢測時間序列的人類微生物群的目標個體之一，他連續(xù)15個月每天對自己的掌心、口腔和糞便進行取樣。耐特稱自己所有的研究都很嚴肅。比如說時間序列數(shù)據(jù)表明個類個體的微生物群比預想的要有更多變化。他希望這個發(fā)現(xiàn)能說服醫(yī)生長時間檢測人類微生物病或可以用于臨床實驗，讓調(diào)查研究者檢測微生物群的變異是否與用藥用關。而要證明這點，就必須用自己的身體進行實驗，耐特說。

 

耐特還有其他冒險項目：在一項工程中，他正在探索如果改變腸道和大腦之間的反應模式，腸道微生物群是否能影響精神健康。

 

耐特還是負責研究營養(yǎng)不良和腸道疾病研究小組成員之一。這個研究項目得到了設在西雅圖的比爾和梅琳達·蓋茨基金會的巨額資助，專項研究未來的益生菌和微生物治療方法。