《细胞》（Cell）：微生物的未来

摘要：我们所知的生命始于微生物。微生物维持着地球上的生命，时不时地，会有一种微生物出现，威胁到整个物种的生存。微生物生命的危险和益处都是巨大的，它们帮助我们过上长寿、健康、可持续生活的潜力也是巨大的。《细胞》（Cell）杂志的微生物学研究迎来了 50 周年，我们很自豪在我们的周年特刊中展示这个奇妙而又神秘的微生物世界。

正文:

绝非简单
自列文虎克、巴斯德、科赫、革兰和黑塞的时代以来，微生物学已经取得了长足的进步。那时，人们的责任是一次一个物种地艰苦分离、培养、观察和识别微生物生命。传统上，由于微生物体积微小、看似极简的超微结构和精简的基因组，它们被认为是简单的生物体。人们希望，如果我们能够破解较简单的微生物系统的内部运作机制，那么通过某种程度的外推，我们或许能够解开多细胞 “高等” 生物体的细胞器复杂性和组织方式。
在很多方面，这是正确的，微生物确实充当了极好的基础模型。认识到微生物本身就很迷人，并且它们还具有极大地影响更广泛研究的潜力，这一点在《细胞》杂志的起源中就已根深蒂固。创办该杂志的社论用这样的话体现了这种精神：“《细胞》将不仅仅是一本真核细胞生物学杂志。病毒学研究，从病毒自身的遗传系统的角度来看很有趣，而且对其宿主细胞系统也有影响，将成为该杂志的一个重要部分。当然，对细菌的大量研究本身就很有趣，也可能与其他细胞的研究相关。”
查阅 1974 年的***期《细胞》杂志，你会发现通过对精巧的操纵子和大肠杆菌噬菌体的研究来探索转录调节和蛋白质合成基本原理的论文。在该杂志的***个十年里，病毒学导致了癌基因和肿瘤抑制因子的发现。在随后的几年里，微生物迅速成为实现基础分子生物学发现的必要工具。
但我们现在知道，微生物绝非简单。即使在 2024 年，从大肠杆菌及其噬菌体中仍不断涌现出大量见解。事实证明，亚细胞组织在微生物中很重要，细菌的免疫依赖于不断扩大的抗病毒调节因子和途径库。一个未修饰的埃博拉病毒多肽 VP50 可以提供蛋白质多功能性的大师课，而真菌则是地球粮食安全的关键。我们也不能忘记那些永远的规则破坏者，即使在最极端的环境中也能尽情生活 —— 你好，古菌！随着我们对周围微生物的了解越来越多，其复杂性只会不断增加。

现代微生物学
基因组学以前所未有的方式彻底改变了微生物学 —— 能够快速准确地检测病原体、监测抗生素耐药性、揭示肠道微生物组与宿主健康之间的联系、从以前未知且仍无法培养的生物体中挖掘和发现新的治疗方法、极大地扩展生命之树等等。未来的微生物学将更加宏大和大胆。穆拉特・埃伦和吉尔・班菲尔德在本期的《现代微生物学：通过跨尺度整合拥抱复杂性》综述中让我们一窥现代微生物学，该综述通过技术视角带领我们了解该领域的快速发展。在数太字节的数据中，人工智能和机器学习将帮助我们探索复杂微生物群落的复杂性，也能理解不同生态系统在不同尺度上的动态相互作用。我们对微生物实体真正多样性的理解还只是皮毛 —— 当然有细菌、真菌、古菌、原生生物和病毒，还有质粒、类病毒和博格体。简单地说，微生物本身只有几纳米，但微生物学中的发现和应用潜力确实巨大。

生存之道
微生物的口头禅很简单：生存。为了做到这一点，它部署了一系列令人眼花缭乱的机制和过程。抗性、持久性、耐受性、适应性、进化 —— 也许我们在自我提升书籍中寻求的所有行为实际上都应该归功于我们的微生物朋友。看看我们在《细胞宿主与微生物》的同事们及时推出的特刊《微生物生存指南》，在那里你会发现一些综述深入探讨了细菌间的战争和生存策略，无论是针对竞争对手还是共生体。
我们受益于对微生物生存和生长策略的机制理解，青霉素就是一个很好的例子，这种神奇的药物起源于霉菌汁，在上个世纪拯救了数百万人的生命。不幸的是，除了面包、啤酒和香菇，很少有人想到真菌。
虽然大众媒体对微生物和科学家的描述往往夸张，但我们要感谢《***生还者》让数百万人提高了对真菌病原体的全球意识。正如伊利扬・伊利耶夫及其同事在本期的《聚焦真菌》评论中所写，真菌威胁在全球确实在增加，但真菌学领域的资金仍然有限。它们在环境生态系统的平衡和控制、食品工业、作为病原体以及作为 “真菌组” 成员中的核心地位，需要我们更多地关注这些生物体，以从根本上理解体内平衡以及各种疾病状态。对新抗生素的需求非常迫切，因为不加选择地使用导致了抗菌和抗真菌耐药性的增加。这些新抗生素能从哪里来呢？真菌仍然是新型生物活性分子的潜在宝库，机器学习方法将从环境微生物组以及我们体内挖掘出以前未开发的抗菌药物。

病毒来袭
当我们意识到病毒已经成功存在了数十亿年时，定义它们是有生命的、无生命的，还是介于两者之间的某种奇特存在似乎就不那么紧迫了。它们能够感染几乎每一种生命形式，但只有不到 0.1% 的病毒得到了正式描述。在本期的《观点：病毒学 —— 未来五十年》中，病毒学家埃迪・霍姆斯、弗洛里安・克拉默和费利西亚・古德拉姆提醒我们，从病毒中获得的见解支撑着免疫学、细胞生物学和癌症等不同领域。在此基础上，他们展望未来五十年，认为这将是一个令人兴奋的时期，我们将扩大对病毒圈的理解，包括我们体内的病毒组、病毒在慢性疾病中的作用，以及它们作为强大治疗工具的巨大潜力。一次又一次，新出现和重新出现的病毒给人类带来了巨大破坏，无论是天花、甲型流感、艾滋病毒、非典、埃博拉还是新冠病毒。问题不是是否会有另一种具有引发大流行潜力的病原体出现，而是什么时候出现。虽然我们仍处于新冠大流行之中，并在努力应对它给全球生命和社区带来的毁灭性代价，但我们的焦点也需要放在 H5N1 和猴痘上。
非洲大陆对新出现和重新出现的病原体并不陌生，几个***成功的公共卫生项目已经实现了对疫情的有效管理。在本期的《评论：病原体基因组学时代的非洲：打破数据障碍》中，来自非洲疾病控制和预防中心的让・卡塞亚、索福尼亚斯・特塞马及其同事聚焦于非洲大陆病原体测序的快速扩展，并概述了为有效和及时地共享数据以做好大流行准备和应对而需要克服的障碍。
在现代医学的创新中，疫苗接种仍然是预防传染病最古老、***成本效益的干预措施之一。从预防儿童死亡到现在对卵巢癌以及带状疱疹和呼吸道合胞病毒等成人感染显示出明显的益处，疫苗显著提高了人类的寿命和健康。然而，广大公众对疫苗是什么以及为什么它们很重要仍然存在困惑和犹豫。在围绕疫苗和疫苗接种的错误信息泛滥的时候，我们希望本期巴厘・普伦德兰、加利特・奥尔特和里诺・拉普波利的《转变疫苗学》综述将从历史角度到更紧迫的问题，如疫苗效力的决定因素、佐剂的作用以及新兴技术将如何塑造下一代疫苗以造福全人类等方面，对这个主题提供一个广泛的概述。《疫苗学趋势》系列进一步强调了新冠大流行如何重振了疫苗学。

未来属于微生物
下一次大流行只是我们未来需要应对的几个挑战之一，合作、协作和平等对于我们作为这个星球上的人共同应对气候变化、生物多样性丧失、粮食不安全和社会不平等至关重要。这需要由国际伙伴关系以及学术界、工业界和政府之间的数据和资源共享来推动。这些利益相关者之间的联系必须植根于对全球科学和科学家的信任、倡导和支持。未来的挑战将我们所有人联系在一起，微生物学家的声音和专业知识对于我们的准备工作至关重要；为此，我们必须听从他们的指导。艾滋病和新冠等大流行已经告诉我们，各自为政、边境关闭、指责和公共卫生不平等不可避免地会加剧对人类生命和生计的损失。我们有很多可以相互给予和学习的东西，包括来自世界各地的成功故事。
为了让人们团结起来，创造一个对所有人都可持续和有益的未来，联合国在 2012 年制定了 17 个可持续发展目标，从那时起，这些目标就成为了全球社会聚集和合作的蓝图。在这方面，微生物不仅对地球上的生命至关重要，而且利用微生物技术将为农业、生物燃料、农业、食品生产、环境修复和其他几个行业提供动力。在本期的《科学家行动呼吁：微生物、地球健康和可持续发展目标》综述中，劳拉・范・加伦及其合著者将微生物置于实现每个可持续发展目标的重要性和相关性的前沿和中心位置。沿着这些思路，《可持续未来的微生物》趋势系列展示了微生物在可持续性和地球健康方面的巨大潜力，也强调了我们从根本上理解土壤生态系统和保护生物多样性的必要性。

向微生物致敬
微生物在几个方面定义了我们和我们的星球。如果你多年来一直关注我们的动态，你会意识到，在所有可以想象的生态系统和应用中 —— 从土壤到石油，从海洋深处到平流层，以及介于两者之间的一切 —— 的微生物学都在《细胞》的范围内，对我们以及我们的细胞出版社同事来说都很迷人。我们希望你在阅读这个聚焦微生物的特刊时能感受到和我们一样的兴奋和敬畏，我们也希望你在这个 50 周年的剩余时间里继续和我们一起庆祝令人兴奋的科学。


来源：Editorial Team. A Microbial Future. Cell, 2024.9.19,187,19,5119-5120.