史上最大生物学研究项目公布:10年内,测定150万种真核生物基因组序列

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楼主 2018-11-08 13:44:51
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4月24日,《美国科学院院刊》(PNAS)发表文章,正式公布地球生物基因组计划(Earth BioGenome Project)的细节。这标志着这项史上规模最大、最具雄心的生命科学项目即将拉开帷幕。该项目计划耗资47亿美元,在接下来的十年间,测出所有已知的150万种真核生物的基因组序列,并为我们找到尚未发现的全新物种。


1990年,上一项全球性基因组测序工程——人类基因组计划正式启动。在美国、英国、法国、德国、日本和中国科学家的共同推动下,截至2003年项目结束,我们首次成功解开人类的基因密码、绘制出人类基因组图谱。该项目不仅让我们对人类自身的理解向前跨越一大步、大幅推动医学的发展,还对生物工程、农业、环境、能源等领域产生了重要影响。尽管该项目的预算高达30亿美元,但根据美国智库巴特尔纪念研究院2013年发布的报告,人类基因组测序给美国带来的经济收益就有近1万亿美元。人类基因组计划被看作是迄今为止最为成功的大型生物工程。


人类基因组计划的成功让生物学家拥有了更大的野心。人类基因组的测序让我们对人体的认知更进一步,而要了解我们所依存的生物圈,对更多物种基因组的测序必不可少。2015年,在美国华盛顿举行的一场会议上,23名科学家首次提出了要在十年内完成地球上已知所有真核生物物种的基因组测序的计划。参与这项计划的主要机构包括美国史密森尼研究所、英国维康基金会桑格研究所、巴西的圣保罗研究基金会以及中国华大基因等。


人类基因组计划为我们解开人类遗传密码


加州大学戴维斯分校的演化及生态学家Harris Lewin是该项目的主席以及最新论文的主要作者,他表示:“地球生物基因组计划将为新型生物经济奠定坚实的科学基础,它将为全球各地(尤其是生物多样性丰富的发展中国家)的人类所面临的健康、环境、经济和社会问题提供全新的解决方案。”



从2534到150万


虽然生物学的历史已有数百年、博物学的出现更是早在古希腊罗马时期,但人类对生物的了解还只是冰山一角。据估计,地球上一共生活着1000万~1500万种真核生物以及数十亿种细菌和古细菌,而我们发现的只有230万种。已经进行基因组测序的物种就更加稀少:截至目前,只有不到15000个物种的基因组为我们所知,其中大部分还是微生物,已经完成测序的真核生物物种只有2534个,只占已知真核生物总数的不到0.2%。


在已知的真核生物(绿色)中,完成测序的物种(外圈线条)数量远少于细菌(蓝色)和古细菌(紫色)的已测序物种。


在此之前,数项致力于破解生物基因组密码的研究项目已经启动,包括对一万种不同属的脊椎动物基因组进行测序的10K计划、破解5000种节肢动物基因组的i5K计划、希望测出所有10500种鸟类基因组的B10K计划,以及由华大基因主导,对一万种植物进行测序的10KP计划等。这项项目的有序进展为地球生物基因组计划提供了有利的先导条件,而后者也将与这些项目合作,甚至为它们提供资金支持。


根据论文,地球生物基因组计划的主体将分三个阶段进行:首先是在大约9000个真核生物科中,各自挑选一个物种,进行精确、细致的基因组测序,从而成为与人类参照基因组相当,甚至比人类更为详细的参照数据;第二步是对15万~20万个真核生物属进行测序,测序的详尽程度会比第一步低;最后,研究团队将测得150万已知真核生物物种的基因组序列。此外,该项目还计划寻找一些目前未知的真核生物,主要包括单细胞生物、昆虫以及海洋中的小型生物。


按照项目参与者的估计,用于地球生物基因组计划的经费为47亿美元,而人类基因组计划的花费约为30亿美元。得益于基因测序技术的提高,考虑到购买力的变化后,该项目的实际花费甚至要低于人类基因组计划的费用。通过该项目测得的所有数据将供科学工作者免费使用。



意义深远


如能顺利开展,地球生物基因组计划的意义将是全方位的。该项目对未来人类的生存有着直接的影响。在21世纪中叶,全球人口总数预计将突破100亿人,该项目期望在生物合成燃料、生物材料和食物来源领域实现革命,以缓解未来的生存压力。用于传染性疾病及遗传性疾病的药物研发也将从这一项目中受益。


除了人类自身,地球生物基因组计划对地球生态也有重要意义。在气候变暖和人类生产活动的影响下,全球生物灭绝的速率已经来到了自然背景的100至1000倍。文章写到,在1970 ~2012年间,全球脊椎动物种群数量下降了58%。有人认为,第六次生物大灭绝已经到来。该项目的主要发起者之一,美国伊利诺伊大学的Gene Robinson表示,该项目对于濒危物种及整个生态系统的保护具有重要作用:“地球生物基因组计划将为我们进一步揭开生物的多样性和演化历程,从而帮助我们理解如何保护它们。”




全民参与


要测得这150万物种的基因组数据,高质量的样本来源是第一步。包括动植物园、水族馆以及自然历史博物馆在内,这些保存了大量生物活体或标本的机构成为研究人员关注的焦点。例如,著名的美国史密森尼研究所包含了19座博物馆和9个研究机构,光是植物标本就涵盖了多达30万个物种。这里的研究人员正将现代的基因组检测手段应用于馆藏的大量标本。


不过,由于并非所有博物馆标本的保存条件都足以产生高质量的基因组数据,研究人员仍然需要去野外寻找更多的物种,这是整个项目中最困难、耗费最高的部分。因此,设定基因组测序数据的标准,并记录被测物体的来源信息,将是项目不可缺少的一步。洛克菲勒大学的神经生物学家Erich Jarvis就警示称:“我们可能为地球上的所有物种花费了大量金钱和精力,但最终却得到一坨废物。”


在寻找研究样本的行动中,除了专业科学家,民众也能发挥重要作用。地球生物基因组计划提出了“市民科学家”行动,让普通民众参与到野外的样本采集中。该行动参照了加州大学基因组保护联盟的CALeDNA项目,这一项目还推动了新技术的开发,例如便携式基因测序仪,以及能够去野外确定样本,并将样本带回实验室的无人机。


5亿多年前的寒武纪,一场生命大爆发拉开了缤纷生命世界的帷幕。而现在,另一场关于生命的革命正要拉开帷幕。这项史上最宏大的生物研究项目,将促使我们以前所未有的角度认识所有的生命。


原始论文:

http://www.pnas.org/content/early/2018/04/18/1720115115

参考链接:

https://phys.org/news/2018-04-earth-biogenome-aims-sequence-dna.html

http://www.sciencemag.org/news/2017/02/biologists-propose-sequence-dna-all-life-earth


本文转载自公众号“环球科学ScientificAmerican”(ID: huanqiukexue)


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