在人类探索自然的伟大征程中，微生物仍是认知最薄弱、最神秘的领域之一。自17世纪列文虎克首次通过显微镜发现微生物以来，尽管科技不断进步，我们却仍像是举着火炬在黑暗洞穴中摸索——目前对微生物世界的认知尚不足1%。而人工智能（AI）正被寄予厚望，或将成为打开这片“未知地图”的关键钥匙。

近日，中国科学院微生物研究所王军研究团队在hLife上发表题为“The terra incognita in microbiology for artificial intelligence and where to go next”的文章（图1），系统梳理了微生物领域面临的三大核心挑战，并提出了AI推动该领域突破瓶颈的未来路径。

—

图1 论文标题及作者信息

微生物学的复杂性，远超我们的想象。目前限制微生物研究的关键瓶颈集中在以下三个方面：微生物表型数据短缺、微生物产物的高通量识别与功能测定困难，以及宿主–微生物互作的复杂性（图2）。

图2 AI与微生物的三个未知领域

微生物表型数据短缺

随着测序成本降低，基因组数据呈现爆炸式增长，但高质量、大规模的微生物表型数据却严重短缺。这主要是由于实验室自动化程度不高，以及缺乏通用的记录标准等原因造成的。而AI可以通过构建微生物的"数字分身"，借助虚拟模型来帮助理解基因突变对功能的影响，实现对基因型与表型间非线性关系的预测。

微生物产物的高通量识别与功能测定困难

除了缺乏表型数据，当前微生物研究面临的第二重挑战是微生物产物（如代谢物及编码的大分子等）的高通量识别与功能测定困难。当前虽有如KEGG等已涵盖了大量模式生物代谢路径的在线数据库，但对非模式生物和复杂微生物群落的注释仍非常有限，而且即便在已经研究非常透彻的模式生物中，也仍有许多代谢产物未被注释、功能不明。

更棘手的是非模式生物与复杂微生物组，在成千上万种代谢产物中，现有方法往往只能识别其中的几百种，远不足以还原其完整代谢图谱。而大分子的识别难度更胜一筹，包括基因组编码的蛋白质（多数带有复杂的翻译后修饰）和非线性多糖，后者序列未在基因组中编码，其功能预测更具挑战。值得期待的是，新一代测序技术与大语言模型的迅猛发展，正为这一难题带来转机。未来有望提高功能预测的可信度和实用性，加速实现蛋白质、多糖等复杂分子的功能注释与特征识别。

宿主–微生物互作的复杂性

微生物对宿主的影响，既表现在代谢调控，也延伸至免疫反应与疾病进程。研究表明，一些大分子，如病原体相关分子模式（PAMPs），能激活宿主先天免疫系统，引发炎症反应。然而，这些微生物免疫互作机制仍需逐一“解码”。在分子互作方面，现有的类器官系统虽可提高小分子筛选的通量，但仍难以模拟复杂微生物环境下的跨组织、跨器官互作过程。基于此，未来应将深度学习工具应用于完整的宿主代谢–免疫网络框架之中，而不仅仅局限于单细胞或组织水平。

综上所述，对微生物研究“知识版图”中空白区域的描绘，也为未来的研究指明了前进方向。纵观历史，科学与AI的进步从来不是线性的，而是指数式跃迁。今天被称为“terra incognita”的微生物学未知领域，终将在AI的推动下被逐一点亮。

*此微信稿为翻译稿，如有歧义请以英文原文为准。

✦  +

+

作者简介

郭思琦 科研助理

第一作者

机构：中国科学院微生物研究所

研究方向：微生物基因组分析及机器学习应用

王军 研究员

通讯作者

机构：中国科学院微生物研究所

研究方向：微生物组的生物信息学和计算生物学

引用格式：Guo S, Wang J. The terra incognita in microbiology for artificial intelligence and where to go next. hLife 2025; https://doi.org/10.1016/j.hlife.2025.06.002.

期刊简介

hLife 由高福院士、董晨院士和Jules A. Hoffmann教授（2011诺奖获得者）领衔，是中国科学院微生物研究所主办，中国生物工程学会，浙江大学陈廷骅大健康学院，西湖大学医学院，上海市免疫治疗创新研究院和广州霍夫曼免疫研究所联合支持，与国际出版商爱思唯尔合作的健康科学领域综合性英文期刊。

hLife 聚焦健康科学领域的前沿进展，旨在促进基础研究与临床应用的融合发展。期刊发表与医学相关各研究领域最新成果，学科领域包括（但不限于）病原生物学、流行病学、生理学、免疫学、结构生物学、疾病监测、肿瘤、药物、疫苗和健康政策等。

hLife是一本金色开放获取期刊，月刊出版；2022年成功入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”；2023年11月正式创刊；2024年5月被DOAJ收录；2024年8月被Scopus收录；2024年10月入选“首都科技期刊卓越行动计划——重点英文科技期刊支持项目”；2025年6月入选北京市科委“2025年度支持高水平国际科技期刊建设-强刊提升”项目；2025年8月入选中国科学引文数据库（CSCD）核心库。

hLife实行高标准与高效率并重的同行评审机制：

• 投稿至给出“是否送审”决定⏰1天

• 投稿至给出“首轮审稿”决定⏰28天

• 投稿至给出“是否录用”决定⏰61天

2026年前hLife接收的稿件免收文章处理费（APC）。

https://www.sciencedirect.com/journal/hlife