美国纽约的“能抗辐射”、南非开普敦的“有海洋咸味”……“每个城市都有自己的微生物‘分子指纹’。”美国威尔·康奈尔医学院教授克里斯托弗·梅森表示，“如果你把鞋给我，我就能以90%的准确率说出你来自哪个城市。”

　　收集分析生物样本

　　2013年，年轻的梅森决定收集和分析纽约地铁系统中的微生物样本。“我想将其作为发现新生物的一种方式，了解生物是如何适应城市环境的。”梅森说。

　　当他在《细胞—系统》上发表了自己的第一个发现后，世界各地的研究人员突然都开始来联系他，表示也想在自己的城市做类似的研究。于是梅森制订了一套收集样本方案，并发布了一段教学视频。“我们有统一的拭子、采集管，并进行了视频训练，而且提取和测序工作也是集中的。”梅森说。

　　2015年，梅森创建了MetaSUB（地铁与城市生物群落宏基因组学与元设计）联盟。该联盟现已扩展到收集空气、水和污水以及硬质表面样本，并负责监督诸如每年6月21日举行的全球城市采样日等项目。MetaSUB联盟实施了2016年夏季奥运会前、期间和之后对里约热内卢城市表面及其蚊子的全面微生物分析，以及2020年启动的新冠病毒和其他冠状病毒在家猫中的流行情况重点调查。

　　微生物“指纹”揭示城市特征

　　世界上第一个系统性的城市微生物生态系统目录，由来自六大洲的研究人员在3年内采集了4728份样本绘制，同时，这些样本还表征了区域抗菌素耐药性（AMR）标记。

　　为了分析超大数据集，研究人员生成了一个开源的分析路径，包括一套完整、先进且由同行评审的宏基因组工具，用于分类鉴定、基因预测、AMR检测、功能分析、从头组装、分类单元注释和地理空间制图等。

　　“据我们所知，这项研究是全球首次对城市微生物群进行广泛的宏基因组研究。”梅森说。

　　数据显示，核心城市的微生物群是全球多样性中心，而微生物特征揭示了城市特征。例如发达大城市的许多微生物能够抗辐射，沿海城市有更多的海洋特征，一些抽样良好的大陆城市拥有许多特有物种。

　　除了不同城市具有不同微生物特征外，分析还揭示了所有城市的31种核心微生物——这些物种在97%的样本中都被发现，这使得一种新的特定城市源头追踪成为可能。

　　新物种助力多领域研究

　　“研究刚开始时，只有10万至20万个完整、坚实的基因组参考数据。”梅森说，新物种的发现有助于建立微生物系谱，得到微生物生命进化的新发现。

　　随着数据的积累，这些研究开始对检测已知和未知的微生物感染暴发，以及研究不同城市环境中耐抗生素微生物的流行情况产生了意义。而且，这些发现也有许多潜在的实际应用。“根据目前收集到的序列数据，我们已经发现了80多万种新的CRISPR序列。”梅森表示，这些发现表明了生物合成基因簇（BGC）注释的新抗生素和小分子有望推动药物开发。

　　目前，研究人员发布了一个全球DNA序列门户网站MetaGraph，该网站索引了所有已知的基因序列，并将已知或新发现的基因元素映射到它们在地球上的位置，有助于发现新的微生物相互作用和功能。

　　“下一步是合成和验证其中一些分子，看它们在医学上有什么作用。”梅森说，“我们现在正对这些城市污水中的微生物进行取样、测序，并与公共卫生工作联系起来追踪新的病毒和细菌。我们将利用这些数据预测药物和抗生素，在培养中验证它们。”