如果您正在享用益生菌泡沫饮料，它含有对肠道有益的细菌和富含纤维的益生元。 您的日常生活充满了混合发酵食品和羽衣甘蓝，所有这些都是为了保持肠道中重要微生物的多样性。 微生物实际上涉及我们生活的方方面面！科学家们希望他们能够帮助解决从免疫问题到心理健康的所有问题。 那么，他们是如何做到这一点的呢？ 今年春天，加州大学伯克利分校（University of California， Berkeley）的生物化学家、CRISPR的共同发明者詹妮弗·杜德纳（Jennifer Doudna）加入了这项有趣的研究。 她获得了2024年的诺贝尔奖！她的计划是通过编辑我们体内的微生物来调整我们的微生物组，以预防和**儿童哮喘和其他疾病。 她还在研究如何用类似的编辑方法缓解气候变化，特别是对于奶牛，它们共同产生大量的温室气体。
我以前对这个问题持怀疑态度，因为我钻研过基因工程。 肠道微生物组是一个繁忙的生态系统，包含大约 4,500 种细菌、无数病毒，甚至真菌。 这个菌落的总重量接近半磅，考虑到即使是 30 万亿个细菌也只产生一盎司的重量，这是相当惊人的。 确定哪些微生物导致了特定问题是一项复杂的任务。 首先，您需要确定问题的根源，例如炎症物质的过量产生。 下一步是确定负责的微生物及其特定基因。 从理论上讲，一旦确定了这些方法，它们就可以应用于我们活跃的胃和肠道，而不仅仅是实验室的培养皿，因为微生物在我们的日常功能中起着重要作用。
不久前，改变我们肠道庞大生态系统中一个物种的所有微生物的想法听起来如此疯狂，几乎是不可能的。 就连杜德娜和她的搭档吉尔·班菲尔德（Jill Banfield）也不完全确定这个想法会如何发展。 尽管如此，他们认为这是可行的，今年4月，TED Bold项目承诺提供高达7000万美元来支持该计划。 因为它可以是一种非常准确和非侵入性的预防或**疾病的方法。 然而，人们也很难摆脱恐惧，害怕将编辑过的病毒释放到我们重要的肠道微生物组中，以及是否会出问题。
近年来，我们开始认识到我们与微生物的密切关系。 在过去十年左右的时间里，人们开始意识到微生物不仅仅是一个需要在实验室中研究和培养的独立领域。 事实上，微生物无处不在，令人惊讶的是，我们体内的微生物比我们自己细胞中的微生物还要多！这简直令人难以置信。 现在人们认为，微生物群落在我们的健康中起着重要作用。 它们不仅与严重的消化问题或体重问题有关，而且还与抑郁和焦虑等情绪障碍有关，甚至与癌症的影响有关**。
哮喘首先是一个非常重要的健康问题，我们的目标是首先取得进展。 然而，为了实现这一目标，我们需要了解所涉及的系统，并建立联系。 在与加州大学旧金山分校医学院的杰出科学家Sue Lynch的合作中，我们发现了一种在哮喘儿童肠道中发现的特殊分子。 这种分子会引发炎症。 因此，我们的计划是通过基因改造来控制这些细菌的产生，以防止或减少这种分子的产生。
他们的计划是使用CRISPR技术来停止产生引起哮喘的分子，同时保持肠道中其他微生物的稳定。 加州大学旧金山分校的科学家们发现了为什么某些儿童体内这种分子的水平更高。 他们还确定了哪些细菌产生了这种分子，并确定了负责这一过程的特定基因。 然而，尚不确定这种改变将如何影响微生物群落的其他组成部分。
如果我们知道某种微生物会释放有害物质，并且只存在于哮喘儿童中，那么就有办法阻止它们的产生。 这似乎是一个合理的方法。 然而，微生物组是一个非常复杂的系统，与许多其他因素密切相关。 当我们改变微生物群落中分子的产生时，可能会触发其他结果，具体取决于个体的饮食、遗传或对其他疾病的易感性。 因此，我们对这些因素有深刻的理解是非常重要的。 因此，我们的主要目标是使用CRISPR作为解决这些问题的研究工具。
实验室能够复制所有不同的基因和饮食，以及它们之间的相互作用。 我们如何**微生物的基因改造如何影响吃快餐的人和吃羽衣甘蓝的人，以及达到这个水平可能需要多长时间。 然而，目前正在努力使用从婴儿身上采集的样本来培养其中发现的微生物。 虽然我们不能让这些微生物在羽衣甘蓝和汉堡之间切换，但我们可以在实验中控制它们的食物**。 通过这种方式，我们能够观察到环境的变化如何影响他们的行为和其他方面。
选择CRISPR就像在选择健康食品和服用药物之间做出选择，具有更强大、更精确的影响。 CRISPR的使用可以对微生物组产生高度针对性和特异性的影响，这比仅通过饮食改变进行类似的调整要精确得多。 因此，CRISPR是一个强大的工具，可以帮助我们有目的地编辑和研究微生物组。
最初，挑战是将这些编辑工具引入细菌以产生影响。 在创新基因组学研究所（IGI），正在进行的研究项目致力于解决这个问题。 有趣的是，不同的细菌以不同的方式吸收分子。 一些细菌可以通过打开细胞膜直接吸收分子，而另一些细菌则需要病毒的帮助来吸收这些分子。
引入分子"这是什么。 简单地说，就是让一个分子进入细胞。 如果这个分子是基因编辑器，它可以修改基因。 目前，我们正在研究了解人类肠道中不同类型的微生物如何允许分子进入细胞的早期阶段。 这个过程在不同类型的微生物中有所不同。 在未来，这可能涉及确定哪些微生物需要进行基因改造，并找到最有效的方法来吸收这些编辑的分子。 理想情况下，这个过程可以通过口服来实现，例如以药丸的形式。
当然，还有其他选择。 如果您不想进行手术或胃部注射，有一种更温和的方法。 您可能听说过粪便移植，但大多数人更喜欢另一种侵入性较小的方法。 我们正在努力实现一种口服方法来管理CRISPR分子，这将是非常好的。 但这需要相当大的努力才能实现。 此外，从长远来看，我们的目标是了解潜在的生物学，即这些微生物与更复杂的疾病之间的联系。 例如，越来越多的证据表明，阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病可能与微生物群密切相关，尽管确切的联系尚未发现。 事实上，我们有一个专门资助神经退行性疾病的计划。 如果我们能使用CRISPR来调整微生物群并保护尚未患上这些疾病的个体，那就太好了。
微生物群落的功能就像一个生态系统，包含各种有益和有害的物种。 如果我们对其中一个物种进行基因改造，我们岂不是打破了这种微妙的平衡，我们使用抗生素和其他方法来破坏微生物群落中的各种细菌，不仅是让你生病的细菌，还有其他细菌。 这样做的后果是显而易见的。 但CRISPR不同，它更安全，因为它的精确度只针对特定类型的细菌。 此外，它还允许靶向特定病毒中的特定基因。
与人类不同，微生物具有在它们之间共享基因的独特能力。 如何确保插入一种微生物的基因不会对其他微生物造成问题？ 因此，我们的目标是进行广泛的实验室测试以观察结果。 当然，实验室环境和真实环境是有区别的。 实际上，我们还没有办法培养和模拟人类肠道中的所有微生物。 因此，即使经过所有实验室测试，仍然存在一些未知数。 因此，这个计划最终是否会达到我们所说的“根据我们所知道的情况看起来安全”的水平，还有待探索。
当我们创造一种新方法时，实验室实验的局限性是不可避免的。 特别是在微生物学领域，我们的实验室技术在不断提高。 我们正在努力在更接近自然环境的条件下培养微生物，以使它们的行为更接近人类微生物的行为，尽管永远不会完全相同。 有时，我们已经了解了哪种微生物组是健康的，例如，一个人的微生物组可能会产生炎症物质，而另一个人的微生物组则不会。 这些知识，加上我们在更精确的肠道微生物组模型中的实验，给了我们前进的信心。
该项目也与气候变化有关。 科学家发现，通过给奶牛喂食一种特殊类型的海藻，可以减少它们产生的甲烷排放量高达80%。 然而，收集和运输大量海藻是不切实际的。 因此，该计划的目标是通过改变犊牛的微生物组来达到同样的效果。 理想情况下，我们希望能够一次解决这个问题。 通过以可持续的方式适应犊牛出生时的瘤胃微生物群，我们可以显着减少它们产生的甲烷排放，这将产生巨大的影响。 令人惊讶的是，全球每年约有三分之一的甲烷排放来自农业，其中大部分来自牛。
事实上，一些公司，如Impossible Foods和其他公司正在努力取代奶牛作为肉类**。 然而，这种转变不会很快发生，甚至可能无法完全实现。 因此，找到一种生态友好的养牛业替代品将是有益的。
到目前为止，我们对饮食的调整在更广泛的层面上更加明显，但当涉及到微观细节时，这些变化的具体影响就不太清楚了。 此外，我们的目标是深入了解甲烷产生背后的遗传机制。
然而，创造一种新品种的牛并评估其对甲烷生产的实际影响将是一个漫长的过程。 相比之下，为微生物群落提出了一种更快速的途径。 现在，随着气候问题的紧迫性增加，速度变得至关重要。
在理想情况下，我们将积极开发应对气候变化的技术，同时减少我们个人的影响。 然而，现实情况是，人类不会倾向于回到过去，这不是我们的本性。 因此，解决气候变化的办法很可能涉及技术。 这些技术可能会带来新的挑战，我们需要了解这些信息。
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