史上最大生物學研究項目公布：10年內，測定150萬種真核生物基因組序列

知識 04-24

4月24日，《美國科學院院刊》（PNAS）發表文章，正式公布地球生物基因組計劃（Earth BioGenome Project）的細節。這標誌著這項史上規模最大、最具雄心的生命科學項目即將拉開帷幕。該項目計劃耗資47億美元，在接下來的十年間，測出所有已知的150萬種真核生物的基因組序列，並為我們找到尚未發現的全新物種。

1990年，上一項全球性基因組測序工程——人類基因組計劃正式啟動。在美國、英國、法國、德國、日本和中國科學家的共同推動下，截至2003年項目結束，我們首次成功解開人類的基因密碼、繪製出人類基因組圖譜。該項目不僅讓我們對人類自身的理解向前跨越一大步、大幅推動醫學的發展，還對生物工程、農業、環境、能源等領域產生了重要影響。儘管該項目的預算高達30億美元，但根據美國智庫巴特爾紀念研究院2013年發布的報告，人類基因組測序給美國帶來的經濟收益就有近1萬億美元。人類基因組計劃被看作是迄今為止最為成功的大型生物工程。

人類基因組計劃的成功讓生物學家擁有了更大的野心。人類基因組的測序讓我們對人體的認知更進一步，而要了解我們所依存的生物圈，對更多物種基因組的測序必不可少。2015年，在美國華盛頓舉行的一場會議上，23名科學家首次提出了要在十年內完成地球上已知所有真核生物物種的基因組測序的計劃。參與這項計劃的主要機構包括美國史密森尼研究所、英國維康基金會桑格研究所、巴西的聖保羅研究基金會以及中國華大基因等。

人類基因組計劃為我們解開人類遺傳密碼

加州大學戴維斯分校的演化及生態學家Harris Lewin是該項目的主席以及最新論文的主要作者，他表示：「地球生物基因組計劃將為新型生物經濟奠定堅實的科學基礎，它將為全球各地（尤其是生物多樣性豐富的發展中國家）的人類所面臨的健康、環境、經濟和社會問題提供全新的解決方案。」

從2534到150萬

雖然生物學的歷史已有數百年、博物學的出現更是早在古希臘羅馬時期，但人類對生物的了解還只是冰山一角。據估計，地球上一共生活著1000萬~1500萬種真核生物以及數十億種細菌和古細菌，而我們發現的只有230萬種。已經進行基因組測序的物種就更加稀少：截至目前，只有不到15000個物種的基因組為我們所知，其中大部分還是微生物，已經完成測序的真核生物物種只有2534個，只佔已知真核生物總數的不到0.2%。

在已知的真核生物（綠色）中，完成測序的物種（外圈線條）數量遠少於細菌（藍色）和古細菌（紫色）的已測序物種。

在此之前，數項致力於破解生物基因組密碼的研究項目已經啟動，包括對一萬種不同屬的脊椎動物基因組進行測序的10K計劃、破解5000種節肢動物基因組的i5K計劃、希望測出所有10500種鳥類基因組的B10K計劃，以及由華大基因主導，對一萬種植物進行測序的10KP計劃等。這項項目的有序進展為地球生物基因組計劃提供了有利的先導條件，而後者也將與這些項目合作，甚至為它們提供資金支持。

根據論文，地球生物基因組計劃的主體將分三個階段進行：首先是在大約9000個真核生物科中，各自挑選一個物種，進行精確、細緻的基因組測序，從而成為與人類參照基因組相當，甚至比人類更為詳細的參照數據；第二步是對15萬~20萬個真核生物屬進行測序，測序的詳盡程度會比第一步低；最後，研究團隊將測得150萬已知真核生物物種的基因組序列。此外，該項目還計劃尋找一些目前未知的真核生物，主要包括單細胞生物、昆蟲以及海洋中的小型生物。

按照項目參與者的估計，用於地球生物基因組計劃的經費為47億美元，而人類基因組計劃的花費約為30億美元。得益於基因測序技術的提高，考慮到購買力的變化後，該項目的實際花費甚至要低於人類基因組計劃的費用。通過該項目測得的所有數據將供科學工作者免費使用。

意義深遠

如能順利開展，地球生物基因組計劃的意義將是全方位的。該項目對未來人類的生存有著直接的影響。在21世紀中葉，全球人口總數預計將突破100億人，該項目期望在生物合成燃料、生物材料和食物來源領域實現革命，以緩解未來的生存壓力。用於傳染性疾病及遺傳性疾病的藥物研發也將從這一項目中受益。

除了人類自身，地球生物基因組計劃對地球生態也有重要意義。在氣候變暖和人類生產活動的影響下，全球生物滅絕的速率已經來到了自然背景的100至1000倍。文章寫到，在1970 ~2012年間，全球脊椎動物種群數量下降了58%。有人認為，第六次生物大滅絕已經到來。該項目的主要發起者之一，美國伊利諾伊大學的Gene Robinson表示，該項目對於瀕危物種及整個生態系統的保護具有重要作用：「地球生物基因組計劃將為我們進一步揭開生物的多樣性和演化歷程，從而幫助我們理解如何保護它們。」

全民參與

要測得這150萬物種的基因組數據，高質量的樣本來源是第一步。包括動植物園、水族館以及自然歷史博物館在內，這些保存了大量生物活體或標本的機構成為研究人員關注的焦點。例如，著名的美國史密森尼研究所包含了19座博物館和9個研究機構，光是植物標本就涵蓋了多達30萬個物種。這裡的研究人員正將現代的基因組檢測手段應用於館藏的大量標本。

不過，由於並非所有博物館標本的保存條件都足以產生高質量的基因組數據，研究人員仍然需要去野外尋找更多的物種，這是整個項目中最困難、耗費最高的部分。因此，設定基因組測序數據的標準，並記錄被測物體的來源信息，將是項目不可缺少的一步。洛克菲勒大學的神經生物學家Erich Jarvis就警示稱：「我們可能為地球上的所有物種花費了大量金錢和精力，但最終卻得到一坨廢物。」

在尋找研究樣本的行動中，除了專業科學家，民眾也能發揮重要作用。地球生物基因組計劃提出了「市民科學家」行動，讓普通民眾參與到野外的樣本採集中。該行動參照了加州大學基因組保護聯盟的CALeDNA項目，這一項目還推動了新技術的開發，例如攜帶型基因測序儀，以及能夠去野外確定樣本，並將樣本帶回實驗室的無人機。

5億多年前的寒武紀，一場生命大爆發拉開了繽紛生命世界的帷幕。而現在，另一場關於生命的革命正要拉開帷幕。這項史上最宏大的生物研究項目，將促使我們以前所未有的角度認識所有的生命。

原始論文：

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

參考鏈接：

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