微生物在地球中無處不在，隱藏在人們的皮膚、腸道以及土壤、河流、海洋等環(huán)境，構(gòu)成一個個復(fù)雜的微生物組（microbiome）群落。它們在不同環(huán)境下與不同宿主共生互動，成為影響人類健康、疾病發(fā)展、地球生態(tài)變化的重要因素。傳統(tǒng)微生物組研究按照人類微生物、海洋微生物等不同棲息地分別進(jìn)行研究，無法在全球視野下描述不同棲息環(huán)境中微生物群落的相互關(guān)聯(lián)。

復(fù)旦大學(xué)類腦智能科學(xué)與技術(shù)研究院（下文簡稱“類腦研究院”）青年研究員路易斯·佩德羅·科埃略（Luis Pedro Coelho）、教授趙興明、名譽(yù)教授皮爾·伯克（Peer Bork）與來自德國、西班牙、美國、英國等多國科學(xué)家合作研究，基于全球微生物組（global microbiome)的概念，將地球上不同棲息地的微生物作為統(tǒng)一系統(tǒng)，運(yùn)用人工智能技術(shù)對1.3萬個公開宏基因組樣本進(jìn)行挖掘，構(gòu)建了迄今為止最全面的全球微生物基因目錄 （GMGC，Global Microbial Gene Catalog），為全球微生物組研究邁出了重要一步。該研究同時發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)基因具有棲息地特異性，跨越多棲息地的基因主要富集在抗生素耐藥性基因和移動遺傳元件。

北京時間2021年12月16日凌晨，相關(guān)研究成果《原核生物基因的生物地理學(xué)研究》（“Towards the biogeography of prokaryotic genes”）以長文（Article）形式發(fā)表于《自然》（Nature）主刊?？瓢Ｂ允钦撐牡牡谝蛔髡吆凸餐ㄓ嵶髡?。該研究得到了歐盟“地平線2020”創(chuàng)新計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、上海市“腦與類腦智能基礎(chǔ)轉(zhuǎn)化應(yīng)用研究”市級科技重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。

基因目錄對于描述微生物群落的物種組成和功能特性具有重要意義。自2010年歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（EMBL）和華大基因構(gòu)建首個人類腸道微生物基因目錄以來，新興的微生物基因目錄為研究人類生理學(xué)和疾病提供了重要線索。

全球微生物基因目錄（GMGC，Global Microbial Gene Catalog）涵蓋了腸道、口腔、皮膚、海洋、土壤等 14 個微生物的主要棲息地，收集了 13,174 個公開可用的高質(zhì)量宏基因組和84，029個高質(zhì)量的基因組，得到了包含3.03億個物種級的基因（95%的核酸一致性聚類），構(gòu)建了迄今為止最全面的全球微生物基因目錄（圖1），將為地球生態(tài)研究和人類健康研究提供重要貢獻(xiàn)。

揭示微生物基因與棲息環(huán)境的重要關(guān)聯(lián)

物種水平的單基因簇（unigene）可能代表著來自多種棲息地的基因（multi-habitat genes）。多棲息地基因可能來自在多種棲息環(huán)境中都生存的物種，或者來自基因組之間或者跨越棲息地邊界水平轉(zhuǎn)移的移動遺傳元件（mobile elements）。研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)基因都是棲息環(huán)境特異性的，這與微生物傾向于適應(yīng)環(huán)境的特性是一致的；只有5.8%物種水平的單基因簇是多棲息環(huán)境基因，多棲息環(huán)境基因主要富集在抗生素耐藥性基因和移動遺傳元件。

研究者們進(jìn)一步研究了宏基因組中單基因簇的頻率，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)單基因簇是出現(xiàn)頻率低于0.1%的罕見基因。單基因簇的頻率服從中性（或接近中性）進(jìn)化假設(shè)下的冪律分布（power law）。事實(shí)上，雖然觀察到很多變異，但大多數(shù)變異并不是對環(huán)境的適應(yīng)，而是由所謂的“中性進(jìn)化”驅(qū)動：變異只是隨機(jī)的結(jié)果，而不是達(dá)爾文選擇。

這些發(fā)現(xiàn)對于理解抗生素抗性的產(chǎn)生，以及未來抗菌藥物的研發(fā)具有重要的意義。

多學(xué)科交融的國際化研究團(tuán)隊(duì)

復(fù)旦大學(xué)類腦研究院生物醫(yī)學(xué)人工智能團(tuán)隊(duì)聚焦于人工智能與生物醫(yī)學(xué)交叉研究，自2018年以來引進(jìn)一批國內(nèi)外優(yōu)秀學(xué)者。團(tuán)隊(duì)擁有計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、生物、物理等不同學(xué)科背景，交叉融合，國際化氛圍濃厚。近年來，圍繞生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，發(fā)展了一系列人工智能算法，已成功應(yīng)用于腦-腸軸、腦發(fā)育和腦疾病等場景中，相關(guān)工作發(fā)表于《自然》（Nature）、《科學(xué)》（Science）、《細(xì)胞》（Cell）、《細(xì)胞·新陳代謝》（Cell Metabolism）、《電氣與電子工程師協(xié)會·模式分析與機(jī)器智能》（IEEE TPAMI）和《自然·通訊》（Nature Communications）等期刊，2020年，團(tuán)隊(duì)獲吳文俊人工智能自然科學(xué)一等獎。

論文第一作者科埃略于2018年全職加入復(fù)旦，此前專注于利用宏基因組及顯微圖像技術(shù)對微生物群體進(jìn)行分析。進(jìn)入復(fù)旦類腦研究院工作以來，他發(fā)現(xiàn)，這是一個跨學(xué)科交融、國際化程度很高的大團(tuán)隊(duì)，同事中有三分之一來自不同國家，他與研究院生物大數(shù)據(jù)團(tuán)隊(duì)、計(jì)算生物學(xué)團(tuán)隊(duì)等多個研究組合作交流，參與計(jì)算神經(jīng)科學(xué)與類腦智能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，作為課題骨干參與多個生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)、腦科學(xué)與類腦研究等重大研究計(jì)劃，聚焦利用大數(shù)據(jù)的方法從事微生物組及精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)等相關(guān)研究。

作為類腦研究院生物醫(yī)學(xué)人工智能團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人，趙興明教授介紹，前沿科學(xué)越來越突破學(xué)科界限，需要全域視野和全球視野。本研究構(gòu)建了一個全球視域下的微生物基因目錄，對于理解微生物與人類健康的關(guān)系具有重要的作用。下一步，團(tuán)隊(duì)還將基于所開發(fā)的基因目錄，進(jìn)一步與國內(nèi)外科研院所和臨床醫(yī)療開展合作，探究微生物包括人體腸道微生物與人類生命大健康、大腦認(rèn)知和行為等方面的影響。