本視頻錄製於 2018 年 07 月 03 日，之前未整理演講圖文實錄，今天我們特別對此作了安排，以饗讀者。
我非常感謝熱心腸先生的邀請，來到 《腸 ·道》 這個舞台上，給大家分享一下有關培養組學的過去、現狀和未來。
我來自軍事科學院軍事醫學研究院，主要工作是從事病原學研究，我們實驗室主要做鼠疫菌。
關於鼠疫，我們都知道，歷史上有三次大流行。我們實驗室和德國科學家合作，首次通過基因組學的辦法來揭示了鼠疫菌在過去三次大流行當中的傳播規律。同時呢，我們也揭示了鼠疫菌在自然進化過程當中它的可變分子鐘的新遺傳規律。
在上個世紀末的時候，我們都知道，以美國為首的西方國家對伊拉克發動了海灣戰爭，其實主要是懷疑伊拉克有生物武器。所以這也給我一個機會到伊拉克參加聯合國的活動，來調查其生物武器的情況。
我們也知道，本世紀初在本·拉登給美國製造了 911 事件的同時，又發生了炭疽的白色粉末的恐怖事件。那麼就帶來一個新的問題，誰放的這個病原菌？這病原菌哪來的？也就是説病原菌要溯源，因此誕生一個新的學科叫微生物法醫學。
我們必須用微生物的 DNA 指紋來識別微生物的來源，因為我們都知道，細菌的基因特徵是千差萬別的。像我們最擅長的鼠疫菌的基因組是非常保守的。
還有一類微生物呢，是副溶血弧菌，大家可以看到，這個幻燈片上像一個大車輪一樣，根本沒有這種 Population Structure。像這種結構的微生物，它和鼠疫菌溯源的方式肯定不一樣。
所以通過對副溶血弧菌的研究我們就發現，基因之間的上位相互作用決定着它的生態型，也決定着它的共進化規律。所以我們用這些可以實現副溶血弧菌的溯源。
在 2011 年，又發生了一個影響比較大的食物中毒事件。這個事件源於德國，導致這次事件的這個菌株是一個新型的大腸桿菌——O104H4 菌株。當時我們有幸在華大基因和德國科學家合作，把這個菌株進行了全基因組的測序。
我們不是去自己分析，而是測序之後，第一時間把結果公佈在網上，世界各國感興趣的科學家可以隨意下載進行分析。但我們要求他們把分析結果再傳到網上和世界各國的科學家來共享。所以我們做了一套 Open Source Genomics Analysis這麼一個方法。
我們這個序列上傳到網上之後不到一個月，我們的基因組就被下載了大概 15000 次，各國科學家上傳的有價值的報告有六十幾份。
我們就依據這些報告寫成了一篇文章，然後被 New England Journal Of Medicine 接受並發表了。
在發表之後，英國皇家學會出了一個報告，這個報告以我們測的基因組圖為封面。報告説，科學應該是一個開放的事業，不應該是自己做，這樣就會限制我們的思維。
在做基因組溯源的同時，我們還做另外一項工作：在一個傳染病或者是一個生物恐怖事件發生的時候，人們能夠第一時間知道是什麼微生物造成的。為了達成這個目標，就需要有現場快速檢測技術，所以我們實驗室發展了基於上轉發光的現場快速檢測技術。
這種檢測技術是一個特殊的稀土納米顆粒在低能量激光激發下發射出來的光，在顆粒內部有個能量躍遷，它發出來的光能量變強了，所以我們稱之為上轉發光現象。這種現象在自然界當中是不存在的。
我們利用這個顆粒去檢測微生物，就可以實現零本底的檢測，而靈敏度也會大大增加。這個技術是我們在國際上首次實現產業化，到現在還是獨家。
同時我們實驗室還做着腸道微生物培養組的工作。
在這，大家可能從我介紹自己的背景中會提出疑問：一個做病原菌研究的人，為什麼要跨界到腸道微生物裏邊來研究？書歸正傳，回到微生物組的話題上。
我們都知道，地球上存在着很多微生物，大概有 5×10的30次方這麼多。其實我們現在分離得到的細菌只有 15000 種左右，按每一種有 100 株細菌計算的話，那麼我們拿到的活的細菌也就 150 萬株。
我們的腸道里邊大概有 10×10的14次方個細菌，我們現在從腸道里分離出來的細菌種類只有 1500 多種。也按每一種有 100 株算的話，那也就 15 萬株活的細菌存在。
從上下這兩組數據，大家可以看到，我們要培養這些微生物，還任重道遠，還有很多路要走。
談到微生物的培養，我們回顧一下過去做出貢獻的這些偉大科學家。
首先，列文虎克，我們都知道，他發明了顯微鏡，首先看到了微生物。
科赫發明了固體培養基，首先分離到了微生物，分離到了細菌，像炭疽、霍亂這些細菌都是科赫分離出來的。同時他也提出來了怎麼判定一個微生物是不是致病菌的科赫氏三原則或者叫四原則。
當然還有巴斯德，他發現了食物腐敗的原因也是細菌導致的。
這三位科學家的貢獻就給微生物發展的第一個黃金時期奠定了良好的基礎。
在他們的基礎之上，英國科學家、澳大利亞科學家、美國還有其他國家的科學家，又在其他細菌的分離培養當中做出了巨大貢獻。
這裏麪包括金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、志賀氏菌、伊爾森氏鼠疫細菌還有一些其他的細菌，包括我們腸道的益生菌——保加利亞乳桿菌。
在這裏邊值得一提的是馬歇爾教授——就是澳大利亞一個科學家，他建立了幽門螺桿菌和胃炎之間的直接聯繫，因此獲得了諾貝爾獎。
在他之前，其實在這幻燈片中我想給大家顯示是我們國家的科學家——湯飛凡教授，他分離了沙眼衣原體，而且他也把這個病原體抹到自己眼睛上，證實了這個病原體就是沙眼的罪魁禍首。如果他不遭受困境，要活到現在，我相信他一定也能獲得諾貝爾獎。
那麼最後這位女士呢，就是分離出來 AKK 菌，腸道里邊非常著名的一個細菌。
在第一個黃金時期我們做了大量的微生物分離培養以及大量的疾病和病人之間關係的揭示，當然也發現了益生菌。
隨着我們科學技術的進步，我們認識到微生物除了細菌之外還有病毒。最早發現的病毒就是噬菌體，而噬菌體和細菌的相互作用就是上圖前兩位科學家揭示的。
第三位科學家蘭德伯格發現了我們的染色體或者遺傳物質可以通過質粒介導的轉化，噬菌體介導的轉導，發現了這些新的遺傳規律。
當然最後兩位科學家大家都熟悉，沃森和克里克揭示了 DNA 的雙螺旋結構。
由於他們五位的工作，使微生物學研究進入了第二個黃金時期。也就是這個黃金時期驅使着大量的微生物學家去做分子的研究，而做微生物本身的研究相對減少了。所以在第二個黃金時期我們基本上把微生物學就和分子生物學畫上了等號。
在近十年來，微生物組學的發展使我們把微生物組和人體的疾病與健康建立了密切的聯繫，這也推動着我們微生物組學的研究進入了第三個黃金時期。
在這個時期，相關的研究技術出現很多，其中最主要的是這些組學技術，包括 16S RNA 基因的測序，宏基因組的、宏轉錄組的、或者宏蛋白質組的等等這些組學的分析。這些組學技術還是一種間接瞭解微生物組的方法。
但是我作為一個微生物學家，最希望瞭解微生物與疾病或者與健康之間的關係，還要拿到這些實實在在的微生物活體。所以現在科學又發展了一系列培養組學的技術。
培養組學技術的發展，我前面説，它有現實需求。我們微生物組的研究需要培養組學技術，需要把那些微生物培養出來，同時還有一些技術發展的支撐。
現在質譜技術的發展使我們能夠鑑定細菌；高通量的技術與測序技術能夠使我們高通量地分析那些質譜鑑定不出來的細菌。
這兩個技術平台的支撐就決定着我們可以大量地分離細菌，然後進行高通量的測序，給我們的研究奠定了很好的基礎。
如果我們把這些很複雜的腸道微生物放在一起來分析的話，這裏邊就存在着有革蘭氏陽性的，有陰性的；有的長得快，有的長得慢；有的需要營養不那麼豐富，有的需要營養特別苛刻；有的需要高温下培養，有的需要低温下培養；有的厭氧，有的需氧。
在這麼複雜的環境下，我們需要有不同的應對策略來分析，分離這些微生物。
在這個領域的開拓者是法國馬賽大學的 Raolut 教授。
他們首先做的培養組學，開始就採用了不同的培養基，不同的培養條件，加不同的處理方法，有 200 多個條件來分離培養。後來他們又優化成了 70 種條件，到現在他們又進一步優化成 18 種條件來做腸道微生物的分離培養。
從這張圖上我們可以看到，目前從腸道里分離出來的細菌總數量大概 1500 多種，他們大概就分離出了 77% 的菌種。我們也看到，一個工作如果我們堅持做下來，對這個領域會有巨大的貢獻。
這是他們優化出來的 18 種分離培養的條件，因為時間問題，我就不再一一解釋這些條件，但大家可以從這些條件略微綜合一下。
我們看到有三個關鍵因素：一個就是血瓶的預培養，可以增加 56%的新種；另外一個就是在培養液裏邊加瘤胃液，加上這個液體之後，可以使我們的新種數多獲得 40%；當然還可以加綿羊血，使新種的數多獲得 25%。
如果注意到這三個因素，那會大大提高我們分離腸道微生物新種的機會。
但是還有些微生物是極其難分離培養的。
像這張幻燈片給大家講到的 SFB 這個細菌，這個細菌其實在我們腸道里非常重要，和我們免疫系統的發育有直接的聯繫，尤其是 Th17 的發育和成熟離不開這個細菌。但是這個細菌到現在為止，從人體裏邊還沒有分離到。
這篇文章寫的是，從小鼠的腸道里邊，用細胞培養的辦法把這個細菌給分離出來了，然後他研究了這個細菌和小鼠的相互作用。這篇文章就發到 Nature 上。
大家也可以看到我們的培養組學，如果我們分離到一個很重要的微生物，而且我們在分離培養技術上有大大的改進，能夠研究這個微生物和它所在的宿主之間的相互作用，那也是能夠發很好的文章。
當然我們研究的目的不是為了發文章，是為了推動這個領域的進步。
同時給大家舉的另外一個例子，就是我們拿到微生物之後怎麼辦呢？
像 AKK 這個細菌在 2004 年就已經分離出來了，後來通過測序從腸道里邊也測到了這個細菌，發現它所佔的比例很高。再後來又把這個細菌的全基因組給測序了。
但是直到 2012 年、2013 年，我們才把這個細菌和炎症與肥胖關聯起來，這只是一個關聯，還沒有一個直接證據。到現在為止，發現這個細菌已經十多年了，還沒轉化成一個產品。是治療的靶標？還是診斷的方法？還沒往臨牀上去轉化。
所以我們可以看到，即使拿到了微生物，這個轉化也是非常難的。
上面這張圖給大家顯示的是 Nature 的一篇綜述，專門討論轉化醫學的難度。這個告訴大家呢，研究、發論文相對比較簡單，真正轉化成產品還是非常難的。
這個綜述總結的是腫瘤的標誌物，當時他們統計了 15 萬種標誌物的報道，但是真正轉化到臨牀只有不到一百種。這個轉化應該是大部分摔死在了“死亡之谷”。
我們培養組的轉化這麼難，就沒有未來了嗎？其實它是有光明的前途的。
首先，我們拿到了這些微生物，建立了實物庫，這個庫是我們研究微生物組的物質基礎，沒有這些微生物，我們就缺乏了研究的根基。
同時我們不會每一種只拿一株菌，肯定要拿多株細菌。這也是趙立平老師一直在提倡大家，研究腸道微生物和健康與疾病的關係，一定要把菌種的研究推到株的水平。
假如我們沒有拿到這些微生物，儘管生物信息學目前發展了一些方法，能分析到菌株的水平，但分析到的菌株種類和數量還是比較有限；目前我們拿到了這些微生物，就一定要儘可能的把它們分析到菌株的水平，我後面有張幻燈片，會給大家解釋，這件事有多重要。
目前其實生物信息學中不論是基於 16S RNA 分析，或者基於全基因組的分析，都還有各種各樣的問題。但是我們需要對一個實物庫實實在在的基因庫作對照，去優化我們的生物信息學流程。
第二個光明前途就是拿到了實物，我們就有轉化的基礎了。我們有了這些活菌庫，就等於就有了活菌藥物庫。
因為過去我們研究藥物，一般都是用一個化合物庫。其實這個活菌庫和化合物庫是等同的，將來腸道微生物的研究一定會推動活菌藥物的研究，這是一個新的趨勢。
同時，其實 FMT現在轉化就是一個黑洞式的轉化。我們篩選到健康的個體，按現在的標準給病人移植了，病人好了。但是具體怎麼好的，哪些微生物起作用，以及微生物之間怎麼起作用，我們不知道，所以我稱之為黑洞式轉化。
將來有了這個微生物庫之後，我們希望通過測定腸道微生物的組成、比例和它的種類，然後我們可以看到，它少哪些微生物，缺哪一株，我們人為地給它合成一個菌羣，去移植。那這才是真正的個體化精準醫療。
第三個方向，我們還希望在培養組學的方向不斷優化我們的技術。不論是培養基、培養條件，還是我們大開腦洞去想一些其它的添加劑，來促使腸道微生物組的分離培養，獲得更多的菌種，這是技術方面的優化。
最後，給大家介紹一點我們在腸道微生物領域裏邊的工作。
我們一直在做腸道微生物和免疫之間的關係的研究，尤其 Th17 細胞和腸道微生物之間的關係的研究。我們也在做 IBD 與大腸癌和微生物組的關係的研究。我們主要是做培養組學。
旁邊這個樹給大家顯示的是，我們從結腸癌術後癌組織表面分離的大腸桿菌。當然我們分離了很多的細菌，拿大腸桿菌為例。一個病人我能分 100 多株大腸桿菌出來，這 100 株大腸桿菌，大家從這張樹上看，都不一樣，沒有兩株是一樣的。
我們還把癌旁邊組織的大腸桿菌也分離出來了，然後進行比較分析。我們希望通過其它表型的關聯項，促進炎症反應情況等等，去做一些關聯，去找到真正菌株水平對致病之間的差異。所以為什麼做培養組學，原因就是推動到菌株的水平。
同時呢，我們也在做培養組學技術的開發，也做一些基於培養組學、實物庫測序後的基因組數據庫，來優化生物信息流程。
當然我們也在做一些關於益生菌和益生元對健康的影響。除了微生物組以外，還測了一些人體的其他指標。
當然更重要的一個領域我前面提到過，就是活菌藥物。
我們現在的腸道微生物研究還沒有標準，如果我們找到一個益生菌，所謂的益生菌，就是列為我們國家的益生菌菌種目錄裏邊的細菌，我們可以把它開發成食物級別的細菌，供大家來吃，來服用，來改善健康。
但是如果這個菌，既非常有益，又不在這個目錄裏怎麼辦？我們現在的規定只能按照國家一類新藥去發展，所以這就是活菌藥物發展的現在的途徑。
當然希望將來有一天我們會推動一個政策的改動，就是説把現在發現的新的有益生作用的腸道細菌也納到新的食品資源目錄裏面，作為益生菌來開發，那就使這些藥物的開發相對就比較簡單一些。所以我們希望來推動這個技術的進步。
好，那謝謝大家！