2023年11月23日,由华大集团主办的“MetaHIT 15周年纪念庆典暨MOHA计划启动会”在华大全球总部时空中心隆重召开。以下为华大集团CEO尹烨在会议上的的专题演讲内容(有删减):
大家好,我今天讲的题目叫《见微知著》,2023年对于熟悉生命科学史的朋友来说是非常值得纪念的一个年份。
70年前,沃森和克里克一起发现DNA的结构是双螺旋,我想这件事情非常重要,让科学家们的研究从生物学层面走到分子生物学层面。
50年前,杜布赞斯基提出了“若无演化之光,生物学则毫无意义”。我觉得这句话写得非常好,他告诉我们只研究人类是不够的,我们需要去“看众生,进而知人类”。
1983年,莫里斯发明了PCR技术,这项技术从提出到现在大范围应用历经整整40年,我们可以看到一个技术方法从发明到真正普及要经历漫长的过程。
20年前,我们第一个人类的基因组计划完成图问世。到了2023年2月份,在华大智造的T20测序仪加持下,一个标准的人类基因组的测序试剂成本终于降到了99美金。
20年前测一个人的基因组成本是38亿美金,耗时13年;现在成本降为99美金、测序或只需几个小时,这就是技术的进步,使得让我们更高效、更低成本地获得更多的数据。
我特别想说的就是科学的范式在改变,范式不是简单的模式,模式是model,范式是paradigm。
过去可能我们讲生命科学是一个兴趣为主的小科学模式,大家喜欢的是一个“小院高墙”,自己做自己的那部分研究;但是从人类基因组计划开始,生命科学已经变成一个大科学工程,不再是假说导向。
在过去科学家们可能更多考虑的是“还原论”,今天在项目设计的时候,我们做到了系统的“形而上”,还需要继续去“形而下”;例如培养组学,我们可以做到肠道细菌单体分离培养。所以,今天生命科学的整体的研究范围已经产生了一个巨大的改变。
工欲善其事,必先利其器。没有显微镜,我们就不知道有微生物。
我们要感谢两个人,一个叫罗伯特·胡克,一个叫列文·虎克;胡克发明了显微镜,他定义了细胞;从1665年到2023年,经过差不多400年的时间,才使得我们现在有机会定义微生物学。
如果没有电子显微镜,我们就不知道什么是病毒。
尽管人类在1892年就知道病毒存在,但是看不见病毒。实际上是到了1932年德国科学家鲁斯卡发明了电镜,我们把电子当成光去“看”的时候,才突破了可见光的衍射极限,看见了病毒。
如果没有分子生物学技术,我们就不知道什么是古菌。
至少在1977年以前,我们就不知道什么是古菌。是美国的微生物学家卡尔·伍斯发现了古菌,并且花了差不多十几年的时间才向世界证明这个学说:有些微生物确实不同于原来研究的细菌,这是真菌域、细菌域之外第三个域——古菌,就是今天的我们说的三域系统或“三域说”。
如果没有测序仪,我们就不知道基因序列。
1986年,美国科学家Leroy Hood&ABI联合发明了第一台自动测序仪,这台测序仪就是ABI 370A,我一直想买一台放到华大的测序博物馆,但是现在好像不太好找。

再往下,如果没有高通量测序技术,我们就不会知道肠道菌群。
我们要感谢包括罗氏454 、Illumina等,当时大家一起发明了高通量测序仪。
终于在2008年,由华大联合欧盟诸位合作伙伴发起MetaHIT项目(人体肠道微生物基因组研究计划);在2010年3月份这篇关于肠道菌群的封面文章终于发表,这是人类第一次理解肠道共生菌的图谱,也标志着人体肠道菌群研究进入高通量测序新时代。
没有科赫,我们可能就不知道“培养”细菌。
我们今天在做很多实验的时候,用的依然是科赫法则。1881年,科赫先发现了霍乱弧菌,后来发现鼠疫的传染源、结核杆菌等等;然后科学家们成功培养了大肠杆菌,开始做厌氧发酵,并且不断改进这些方法。
终于在2012年,我们提出来培养组学,微生物研究不再满足于所有信息混合的“一锅粥”,而是要一粒粒“米”。到目前最新的培养率大概是45%±21%。也就是说刚研究肠道菌群的时候,大概只能培养出3%的菌株,今天我们最高可以培养出近70%的菌株,我们还在不断摸索这项技术。
当然,我们还要去看生命科学理论的进展。发现“双螺旋”的科学家之一克里克,他在1958年进一步提出了“中心法则”。对于生命科学,中心法则就是第一性原理,即基因从根本上影响了生命的一切,这在探索生命现象的本质和普遍规律方面起了巨大的作用。
如果没有时空组学技术,我们可能就不会知道“时空法则”。
我们固然可以从生物信息的流向上看到从DNA变成一个完整的生命体,然而一个细胞怎么跟周围的细胞发生这种交互和关系?一个受精卵是如何变成一个婴儿?一个婴儿在刚出生的时候身体有1万亿个细胞,我们生物是如何让这1万亿个细胞能够按部就班变成不同的组织和器官,并且把一份6个G的基因组复制了1万亿份?
2019年,华大的团队发明了时空组学技术Stereo-seq,大家能发明和使用这项技术,还是在于工具的进步,使得我们有机会可以更多地看到这些生命的现象。我们从显微镜看到细胞,从测序仪看到分子病理,再通过时空组学看到这样特别有趣的“时空病理”。
这是时空组学老鼠的胚胎,已经可以达到亚细胞级别(百纳米)的分辨率,我们现在可以对照500个纳米的分辨率,如果我们测序精密度进一步加大,分辨率还可以更高。
所以它可以把一个哺乳动物的每个细胞分成23*20去看,也就是说每一个细胞分成400个亚细胞域,同时我们也可以看到上亿甚至上10亿的细胞,这就使得你可以一次性的像一个广角相机一样看了很多,也可以像一个长焦相机一样看得很清晰。以这样的方式,我们可以尽可能得到一个“生命的全景照相机”。
华大通过高通量测序技术在微生物研究领域也取得很多进展。
第一个就是2010年3月4日这篇文章,这是肠道微生物研究领域非常重要的开山之作。当时的样本中获取的数据量大概是576 Gb,也是首次发布百万级肠道菌群参考基因集,让我们第一次认识肠道共生菌的图谱,这项成果也被称为21世纪前十年最重要的科研成果之一。
2012年这一篇是MGWAS(宏基因组关联研究),也是MetaHIT的核心成果之一,鉴定了大约6万个2型糖尿病相关标记,把我们的肠道菌群和二型糖尿病建立关联分析。这其实是非常好的一种想法,我们今天也用MLG(宏基因组关联群组)来对很多的疾病进行关联分析。
2014年这个研究是MetaHIT第二阶段项目,创建了一个来自三大洲的队列,至少比先前基因目录中使用的队伍大三倍,建立了一个更加完整的肠道共生菌整合基因目录,不同国家、地区的人都可以用它去对特定群体的肠道微生物特征进行辨识。
到了2015年,这是在类风湿性关节炎患者的肠道和口腔微生物群之间观察到了一致性,原来不同身体部位菌群的物种丰度和功能有重叠,我们常说“病从口入”,其实菌也从口入,“病”和“菌”之间的关系到底是怎样的,还是非常值得好好去研究。
到了2016年,当时发表了一篇重磅的综述,它总结了宏基因组关联研究的方法范式,可以高分辨率地解析人体微生物组与多种复杂疾病的关联,包括2型糖尿病、肥胖、肝硬化、结直肠癌、类风湿性关节炎等,这对于以后这些疾病的预防、诊治都有指导意义。
在2017年6月份这篇研究中华大首次利用多组学方法研究中国人群肠道菌群与肥胖关系,确定了肥胖相关的肠道微生物种类与循环代谢产物的变化有关,阐明了肥胖病的起因和发展的分子机制,我们或许可以通过靶向调节肠道菌群去干预肥胖。
这是2019年很重要的一篇论文,首次通过大规模培养组学技术实现如此多数量的单菌分离,有1520个菌;实现了对肠道菌群的更高分辨率描述,打破共生菌群“不可培养”的传统观念,把培养组学往前推进了一大步,对于精准解密菌群与疾病之间的关系也有很重要的科研价值。
到了2020年,这是第一次把精神分裂症和肠道菌群进行关联分析。这篇文章很重要,我一直为什么大胆地去讲肠道菌群和脑科学之间的关系,这篇文章是个非常重要的实证支撑。今天我们看到了越来越多的自闭、抑郁、双级紊乱、躁狂等等,其实都跟肠道菌群的失衡,谁是因、谁是果或许说不清,但是目前看来关联关系是存在的。
2022年的1月份的文章,确定了肠道微生物组和多种血液代谢物之间的一个关系,终于把过去的仅仅在基因组层面上的研究推到了多组学层面上。肠道菌群和人体之间的交互牵扯到免疫系统、内分泌系统、神经系统,这项研究则进一步揭示菌群与表型和疾病关系。
这是一个非常有意思的这个词,就是CGR,我们叫做培养基因组的参考集。我们可以看到从最开始2019年的是研究了1520个菌,然后到了2023年就已经做到3324个菌,这样一直往前推,我们通过不断地能把人类的肠道菌群都按单菌分离的方式往前做,来给大家提供更好的一本“细菌基因字典”。
关于人体共生菌的研究利用,我们能看到今天的研究趋势不仅仅是一个Metagenomics(宏基因组学),而是多部位、多组学、大数据,我们能看到一个整体的延展趋势。
同时因为宏基因组学足够的复杂,它跟越来越多的复杂疾病,包括肿瘤、代谢性疾病、神经退行性疾病、自身免疫性疾病、精神疾病等都发现有着关联或因果关系。
2019年百万人群共生微生物计划(MMHP)启动,是要对100万份来自肠道、口腔、皮肤、生殖道等人体器官的微生物组样品进行测序分析,构建起全球最大的人体微生物组数据库。
2023年我们要启动的计划叫MOHA(千万微生物组学健康计划),也就是Microbiome-Omics Health Axis Initiative。我们希望以大人群的健康促进为目标,通过深入了解微生物组在健康中的作用,并通过其进行干预,完成检测-干预的健康管理闭环,这是我们希望启动的大系统。
在这项计划中,我们希望能够从样本到培养、测序、体外验证、体内验证,然后一直往下走,做到临床试验、药物发现,包括益生菌。为什么我们大家一直在这个产业里深耕,就是希望能把这些事做好。
从华大2010年发表第一篇关于肠道菌群的文章算起,花了12年的时间,我们的益生菌产品销售额才超过一个亿。从这个意义上讲,大家做“生物投资”要有耐心,华大花了二十几年就做出两家上市公司,从这个意义上讲,生物投资需要有战略耐性。
至于这些核心的科研实力,比如说保藏量5万多株的人体共生菌库,3000多个肠道菌全基因组序列、100多篇高水平论文、大约140个专利……归根结底,华大的益生菌最核心的点是什么呢?如果我们今天做农业,种子很重要;如果我们今天做IT,芯片很重要;如果我们今天做益生菌,菌株最重要,尤其“菌株是属于谁的”这点很重要。
我们这里所有产品添加的菌株都有做全基因组测序,上市前都必须做大量的功能实验、工艺改进、动物实验、配方打磨、人群测试,最后还要把专利都放上去,这就是华大做益生菌的核心,我们希望能提供“了不起的民族菌”。
所谓技术就是指过去异想天开,今天勉为其难,未来习以为常。技术终究会变成“习以为常”,当然我们也要明白知道的越多,不知道的更多,我们永远都要去铭记,我们这些做基因技术还是要对自然有敬畏,不要忘掉了,还有伦理、法律,还有我们的文化,要铭记。
我们一直在讲没有科技的人文可能是愚昧的,但是没有人文的科技一定是危险的,我们需要确保科技的向上、向善,而不是给大家去诱惑添乱,如果那么做的话,我们开发的所有的东西就变得没有意义了。
所以作为研究生命科学的人,我们深知人类的生命密码当中是有爱的,我们凑在一起,就是希望能把爱去有序传递。
再次感谢各位今日莅临!