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每個城市的地鐵系統(tǒng)都有其獨特的微生物。圖片來源：pixabay

■本報記者 唐鳳

美國紐約的“能抗輻射”、南非開普敦的“有海洋咸味”……你知道嗎，每個城市都有自己獨特的微生物“指紋”。

一個國際聯(lián)盟從全球60個城市的公共交通系統(tǒng)和醫(yī)院收集了樣本，并進行測序和分析，同時對所有已確定的微生物物種進行了全面注釋，包括之前未記錄的數(shù)千種病毒、細菌以及兩種古細菌。5月27日，相關(guān)論文刊登于《細胞》。

“每個城市都有自己的微生物‘分子指紋’?！泵绹枴た的螤栣t(yī)學(xué)院教授、論文通訊作者Christopher Mason表示，“如果你把鞋給我，我就能以90%的準確率說出你來自哪個城市。”

始于紐約 走向世界

該項目始于2013年，逐漸發(fā)展成為迄今為止規(guī)模最大的全球城市微生物宏基因組學(xué)研究。

但Mason當(dāng)時并沒有想到，自己的一個“小想法”會走向全世界。那時，他決定收集和分析紐約地鐵系統(tǒng)中的微生物樣本。“我們想看看那里有什么物種，并將其作為發(fā)現(xiàn)新生物的一種方式，了解生物是如何適應(yīng)城市環(huán)境的?！盡ason在接受《中國科學(xué)報》采訪時說。

在《細胞—系統(tǒng)》上發(fā)表第一個發(fā)現(xiàn)后，世界各地的研究人員開始聯(lián)系他，他們都想在自己的城市做類似研究。

于是，Mason制定了一套收集樣本方案，并在YouTube上發(fā)布了一段教學(xué)視頻?！拔覀冇薪y(tǒng)一的拭子、采集管，并進行了視頻訓(xùn)練，而且提取和測序工作也是集中的?！盡ason說。

2015年， Mason創(chuàng)建了MetaSUB（地鐵與城市生物群落宏基因組學(xué)與元設(shè)計）聯(lián)盟。該聯(lián)盟現(xiàn)已擴展到收集空氣、水和污水以及硬質(zhì)表面樣本，并負責(zé)監(jiān)督諸如每年6月21日舉行的全球城市采樣日等項目。MetaSUB聯(lián)盟實施了2016年夏季奧運會前、期間和之后對里約熱內(nèi)盧城市表面及其蚊子的全面微生物分析，以及2020年啟動的新冠病毒和其他冠狀病毒在家貓中的流行情況重點調(diào)查。他們還計劃為2021年日本東京奧運會開展一個項目。

“我們在不同時間從日本多個城市（東京奧運會場館所在城市）收集樣本，并于今年繼續(xù)在縱向可對比地點收集樣本。”該項目負責(zé)人、慶應(yīng)義塾大學(xué)副教授Haruo Suzuki告訴《中國科學(xué)報》。之后研究人員將進行進一步分析，看看除了即將到來的精彩比賽，東京奧運會還將留給人們哪些有趣的微生物。

參與本次項目的研究人員用不含DNA和RNA的棉簽收集樣本，并將樣本以及陽性和陰性對照組送到實驗室進行分析。大部分序列的分析和組裝是在匹茲堡的極端科學(xué)和工程發(fā)現(xiàn)環(huán)境超級計算機上完成的。這臺超級計算機曾發(fā)現(xiàn)了10928種病毒和748種細菌。

找到城市“指紋”

最終，來自六大洲的研究人員在3年內(nèi)采集了4728份樣本。這些樣本表征了區(qū)域抗菌素耐藥性（AMR）標記，并幫助研究人員繪制了世界上第一個系統(tǒng)性的城市微生物生態(tài)系統(tǒng)目錄。

采樣在3個主要時間點進行，2015—2016年的試點研究以及2016年、2017年的兩個全球城市采樣日（6月21日）。該項目使用Illumina NGS測序儀對每個樣本進行測序。

為了分析超大數(shù)據(jù)集，研究人員生成了一個開源的分析路徑，包括一套完整、先進且由同行評審的宏基因組工具，用于分類鑒定、基因預(yù)測、AMR檢測、功能分析、從頭組裝、分類單元注釋和地理空間制圖等。

“據(jù)我們所知，這項研究是全球首次對城市微生物群進行廣泛的宏基因組研究。”Mason說。

數(shù)據(jù)顯示，核心城市的微生物群是全球多樣性中心，而微生物特征揭示了城市特征。例如，發(fā)達大城市的許多微生物能夠抗輻射，沿海城市有更多的海洋特征，一些抽樣良好的大陸城市擁有許多特有物種。此外，AMR基因也形成了不同的集群。

除了不同城市具有不同微生物特征外，分析還揭示了所有城市的31種核心微生物——這些物種在97%的樣本中都被發(fā)現(xiàn)，以及可能反映流行病學(xué)變化的獨特地理變異。這使得一種新的特定城市源頭追蹤成為可能。

研究人員確定了4246種已知的城市微生物，但任何后續(xù)的采樣都可能繼續(xù)發(fā)現(xiàn)以前從未見過的物種。這凸顯了在城市環(huán)境中發(fā)現(xiàn)微生物多樣性和生物功能的原始潛力。

“我們的數(shù)據(jù)表明，雖然1000個樣本足以發(fā)現(xiàn)約80%的觀察類群和AMR標記，但仍有相當(dāng)一部分城市微生物群有待鑒定。而且，考慮到遺傳變異受環(huán)境因素的影響，赤道附近的樣本顯示出更大的多樣性。”Mason說。

揭開背后的“真相”

回到2013年，當(dāng)時Mason的想法很簡單，借助采樣尋找新微生物。

“地球上有無數(shù)物種，但我們那時只有10萬至20萬個完整、堅實的基因組參考數(shù)據(jù)。”Mason說，新物種的發(fā)現(xiàn)有助于建立微生物系譜，了解不同物種間的聯(lián)系，得到微生物生命進化的新發(fā)現(xiàn)。

隨著數(shù)據(jù)積累，這些研究開始對檢測已知和未知的微生物感染暴發(fā)，以及研究不同城市環(huán)境中耐抗生素微生物的流行情況產(chǎn)生了意義。而且，這些發(fā)現(xiàn)也有許多潛在的實際應(yīng)用?！案鶕?jù)目前收集到的序列數(shù)據(jù)，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了80多萬種新的CRISPR序列?！盡ason說。這些發(fā)現(xiàn)表明，生物合成基因簇（BGC）注釋的新抗生素和小分子有望推動藥物開發(fā)。

不過，研究人員表示，這項研究有3個主要局限。首先，它只測量DNA，意味著RNA病毒被排除在外，來自細菌和古生菌的轉(zhuǎn)錄活性證據(jù)也被排除在外。第二，它無法鑒定收集到的大部分DNA。這至少在一定程度上是由于城市微生物群落具有高度新穎的特性造成的，隨著更多數(shù)據(jù)的產(chǎn)生可能會有所改善。第三，AMR基因通常很難與不產(chǎn)生抗性的相似基因區(qū)分開來，所以該結(jié)果可能有一定程度的“噪聲”。

MetaSUB聯(lián)盟瑞士研究人員Andre Kahles和Gunnar Ratsch發(fā)布了一個全球DNA序列門戶網(wǎng)站MetaGraph，該網(wǎng)站索引了所有已知的基因序列（包括MetaSUB數(shù)據(jù)），并將已知或新發(fā)現(xiàn)的基因元素映射到它們在地球上的位置，這將有助于發(fā)現(xiàn)新的微生物相互作用和功能。

“下一步是合成和驗證其中一些分子，并預(yù)測BGC，然后看看它們在醫(yī)學(xué)或治療上有什么作用。”Mason說，“我們現(xiàn)在正對這些城市污水中的微生物進行取樣、測序，并與公共衛(wèi)生工作聯(lián)系起來，追蹤新的病毒和細菌。我們將利用這些數(shù)據(jù)預(yù)測藥物和抗生素，并在培養(yǎng)中驗證它們。”

人們常常認為熱帶雨林里蘊藏著豐富的生物多樣性和各種新分子，其實，地鐵欄桿或長椅上也是如此。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.05.002

http://dx.doi.org/10.1016/j.cels.2015.01.001