美國紐約的“能抗輻射”、南非開普敦的“有海洋鹹味”……你知道嗎，每個(ge) 城市都有自己獨特的微生物“指紋”。

　　一個(ge) 國際聯盟從(cong) 全球60個(ge) 城市的公共交通係統和醫院收集了樣本，並進行測序和分析，同時對所有已確定的微生物物種進行了全麵注釋，包括之前未記錄的數千種病毒、細菌以及兩(liang) 種古細菌。5月27日，相關(guan) 論文刊登於(yu) 《細胞》。

　　“每個(ge) 城市都有自己的微生物‘分子指紋’。”美國威爾·康奈爾醫學院教授、論文通訊作者Christopher Mason表示，“如果你把鞋給我，我就能以90%的準確率說出你來自哪個(ge) 城市。”

　　始於(yu) 紐約 走向世界 

　　該項目始於(yu) 2013年，逐漸發展成為(wei) 迄今為(wei) 止規模最大的全球城市微生物宏基因組學研究。

　　但Mason當時並沒有想到，自己的一個(ge) “小想法”會(hui) 走向全世界。那時，他決(jue) 定收集和分析紐約地鐵係統中的微生物樣本。“我們(men) 想看看那裏有什麽(me) 物種，並將其作為(wei) 發現新生物的一種方式，了解生物是如何適應城市環境的。”Mason在接受《中國科學報》采訪時說。

　　在《細胞—係統》上發表第一個(ge) 發現後，世界各地的研究人員開始聯係他，他們(men) 都想在自己的城市做類似研究。

　　於(yu) 是，Mason製定了一套收集樣本方案，並在YouTube上發布了一段教學視頻。“我們(men) 有統一的拭子、采集管，並進行了視頻訓練，而且提取和測序工作也是集中的。”Mason說。

　　2015年， Mason創建了MetaSUB（地鐵與(yu) 城市生物群落宏基因組學與(yu) 元設計）聯盟。該聯盟現已擴展到收集空氣、水和汙水以及硬質表麵樣本，並負責監督諸如每年6月21日舉(ju) 行的全球城市采樣日等項目。MetaSUB聯盟實施了2016年夏季奧運會(hui) 前、期間和之後對裏約熱內(nei) 盧城市表麵及其蚊子的全麵微生物分析，以及2020年啟動的新冠病毒和其他冠狀病毒在家貓中的流行情況重點調查。他們(men) 還計劃為(wei) 2021年日本東(dong) 京奧運會(hui) 開展一個(ge) 項目。

　　“我們(men) 在不同時間從(cong) 日本多個(ge) 城市（東(dong) 京奧運會(hui) 場館所在城市）收集樣本，並於(yu) 今年繼續在縱向可對比地點收集樣本。”該項目負責人、慶應義(yi) 塾大學副教授Haruo Suzuki告訴《中國科學報》。之後研究人員將進行進一步分析，看看除了即將到來的精彩比賽，東(dong) 京奧運會(hui) 還將留給人們(men) 哪些有趣的微生物。

　　參與(yu) 本次項目的研究人員用不含DNA和RNA的棉簽收集樣本，並將樣本以及陽性和陰性對照組送到實驗室進行分析。大部分序列的分析和組裝是在匹茲(zi) 堡的極端科學和工程發現環境超級計算機上完成的。這台超級計算機曾發現了10928種病毒和748種細菌。

　　找到城市“指紋” 

　　最終，來自六大洲的研究人員在3年內(nei) 采集了4728份樣本。這些樣本表征了區域抗菌素耐藥性（AMR）標記，並幫助研究人員繪製了世界上第一個(ge) 係統性的城市微生物生態係統目錄。

　　采樣在3個(ge) 主要時間點進行，2015—2016年的試點研究以及2016年、2017年的兩(liang) 個(ge) 全球城市采樣日（6月21日）。該項目使用Illumina NGS測序儀(yi) 對每個(ge) 樣本進行測序。

　　為(wei) 了分析超大數據集，研究人員生成了一個(ge) 開源的分析路徑，包括一套完整、先進且由同行評審的宏基因組工具，用於(yu) 分類鑒定、基因預測、AMR檢測、功能分析、從(cong) 頭組裝、分類單元注釋和地理空間製圖等。

　　“據我們(men) 所知，這項研究是全球首次對城市微生物群進行廣泛的宏基因組研究。”Mason說。

　　數據顯示，核心城市的微生物群是全球多樣性中心，而微生物特征揭示了城市特征。例如，發達大城市的許多微生物能夠抗輻射，沿海城市有更多的海洋特征，一些抽樣良好的大陸城市擁有許多特有物種。此外，AMR基因也形成了不同的集群。

　　除了不同城市具有不同微生物特征外，分析還揭示了所有城市的31種核心微生物——這些物種在97%的樣本中都被發現，以及可能反映流行病學變化的獨特地理變異。這使得一種新的特定城市源頭追蹤成為(wei) 可能。

　　研究人員確定了4246種已知的城市微生物，但任何後續的采樣都可能繼續發現以前從(cong) 未見過的物種。這凸顯了在城市環境中發現微生物多樣性和生物功能的原始潛力。

　　“我們(men) 的數據表明，雖然1000個(ge) 樣本足以發現約80%的觀察類群和AMR標記，但仍有相當一部分城市微生物群有待鑒定。而且，考慮到遺傳(chuan) 變異受環境因素的影響，赤道附近的樣本顯示出更大的多樣性。”Mason說。

　　揭開背後的“真相” 

　　回到2013年，當時Mason的想法很簡單，借助采樣尋找新微生物。

　　“地球上有無數物種，但我們(men) 那時隻有10萬(wan) 至20萬(wan) 個(ge) 完整、堅實的基因組參考數據。”Mason說，新物種的發現有助於(yu) 建立微生物係譜，了解不同物種間的聯係，得到微生物生命進化的新發現。

　　隨著數據積累，這些研究開始對檢測已知和未知的微生物感染暴發，以及研究不同城市環境中耐抗生素微生物的流行情況產(chan) 生了意義(yi) 。而且，這些發現也有許多潛在的實際應用。“根據目前收集到的序列數據，我們(men) 已經發現了80多萬(wan) 種新的CRISPR序列。”Mason說。這些發現表明，生物合成基因簇（BGC）注釋的新抗生素和小分子有望推動藥物開發。

　　不過，研究人員表示，這項研究有3個(ge) 主要局限。首先，它隻測量DNA，意味著RNA病毒被排除在外，來自細菌和古生菌的轉錄活性證據也被排除在外。第二，它無法鑒定收集到的大部分DNA。這至少在一定程度上是由於(yu) 城市微生物群落具有高度新穎的特性造成的，隨著更多數據的產(chan) 生可能會(hui) 有所改善。第三，AMR基因通常很難與(yu) 不產(chan) 生抗性的相似基因區分開來，所以該結果可能有一定程度的“噪聲”。

　　MetaSUB聯盟瑞士研究人員Andre Kahles和Gunnar Ratsch發布了一個(ge) 全球DNA序列門戶網站MetaGraph，該網站索引了所有已知的基因序列（包括MetaSUB數據），並將已知或新發現的基因元素映射到它們(men) 在地球上的位置，這將有助於(yu) 發現新的微生物相互作用和功能。

　　“下一步是合成和驗證其中一些分子，並預測BGC，然後看看它們(men) 在醫學或治療上有什麽(me) 作用。”Mason說，“我們(men) 現在正對這些城市汙水中的微生物進行取樣、測序，並與(yu) 公共衛生工作聯係起來，追蹤新的病毒和細菌。我們(men) 將利用這些數據預測藥物和抗生素，並在培養(yang) 中驗證它們(men) 。”

　　人們(men) 常常認為(wei) 熱帶雨林裏蘊藏著豐(feng) 富的生物多樣性和各種新分子，其實，地鐵欄杆或長椅上也是如此。

　　相關(guan) 論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.05.002 

　　https://dx.doi.org/10.1016/j.cels.2015.01.001

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