戴磊跨界破解生物学难题,人体微生物群落研究(2)
这项研究于 2012 年发表在《科学》杂志上,是戈尔实验室迄今为止被引用最多的论文,其中最有名的是一个分岔图,描绘了决定该生态系统保持稳定或走向崩溃的精确条件。此前,类似的研究大多停留在理论和模拟上。戈尔用实验数据证明了理论的正确性。
既然已经验证了只有一个生物的生态系统,那下一步当然是研究两个生物的系统了。
研究团队接下来从土壤中分离了八种细菌菌株,将它们两两配对并放置于 96 孔板中,观察它们的共存关系。之后这些细菌又被全部混合在一起,因为要从整体上观察它们的相处模式。
举个例子,假设现在有三种细菌 A,B 和 C,我们可以将它们两两配对组合成 AB,BC 和 AC 三组生态系统。如果我们观察到 A 能击败 B(两者合并后 A 成为主导菌),B 能击败 C,那么 A 就有很大机率击败 C。
这符合我们的直觉。实验数据也证实,这个推测的机率是 90% 左右。也就是说,A 更有可能在复杂的 A、B、C 共存的混合环境中生存下去。
三种细菌循环克制
有了前两个实验做铺垫,戈尔希望能进一步拓展研究范围,使实验更贴近现实情况。于是他带领团队在 MIT 校园中挖了一些土壤,拿回实验室分离出了近一千种细菌菌株。
他们希望找到三种细菌相互克制的情况,类似于石头 - 剪刀 - 布的关系,但这种情况在大自然中非常少见。
设计这套实验的部分动机最早可以追溯到上世纪 70 年代。生态学理论学家提出,或许可以利用三个物种的混合竞争创造 “高阶” 稳定状态,防止一个物种大幅超越其他物种,优雅地实现生态系统多样化。
然而由于缺乏实际数据支撑,科学家也不知道看似行得通的理论是否有实际价值。
图 | 在自然界中,很难找到三个物种相互克制的关系(来源:Lucy Reading-Ikkanda/Samuel Velasco/Quanta Magazine)
在近一千种细菌中,戈尔的研究团队只发现了一套三物种循环克制关系。当他们把这三种细菌和其他 17 种细菌放在一个培养皿中,整个系统遵守的是 A 击败 B,B 击败 C,C 击败 D 的游戏规则。
最终只剩下 3 种细菌,成为了可以共存的优势菌。
这与原本多样化且稳定的土壤菌落环境相去甚远,而且预期的 “三物种循环克制” 并没有发挥太大作用。
戈尔得出结论称,土壤物理基质内环境条件的微小变化可能会稳定自然环境中的微生物多样性。
虽然这只是一个生态系统的工作方式缩影,但仍然是十分宝贵的数据和经验。
人体内的微生态系统
为了将研究成果进一步推广到实际应用中,戈尔团队最近把目光转向了肠道微生物领域。
微生物在大自然中扮演着重要角色,比如土壤里的微生物虽然微不足道,但没有它们就没有茁壮生长的森林和其他植物,也就没有了生态系统最重要的生产者,随之而来的就是生物多样性的崩溃,还会对气候造成巨大影响。
事实上,科学家们也将人体消化系统视为微生态系统。肠道中广泛存在的有益微生物群落可以帮助我们更好地消化食物,吸收营养,甚至是提升免疫力和认知能力。但也存在许多有害的微生物,例如引发腹泻和结肠炎的艰难梭菌。
图|艰难梭菌 (来源:东方 IC)
针对类似的消化道疾病,有一种治疗方式是粪便菌落移植。医生会通过灌肠或口服胶囊等方式,将处理过的健康人的粪便提取液转移到患者体内,从而重建健康的肠道群落。
戈尔的研究团队希望能有所突破。他们的最新研究指出,当一个新的微生物进入到双微生物共生的生态系统中时,该系统的优势菌种通常会发生变化。这可能是粪便菌落移植能够击败艰难梭菌的原因。
人体内微生物数量过于庞大,作为研究的起点,戈尔看中了生物学家做实验常用的秀丽隐杆线虫。这是一种以细菌为食,通体透明,非常容易培育的优秀实验对象。
他们采用了类似土壤实验的办法,把带有红色和绿色标签(染色)的细菌喂给线虫,然后等一段时间后再将其解剖,以确定肠道中细菌的存活情况。
研究团队进行了 11 种细菌的两两对比,然后再喂给线虫其中的三种。就像土壤实验中揭示的一样,如果 A 能击败 B,B 能击败 C,那么在 A,B,C 共存的环境中,A 在绝大多数情况下都是主导群落。
“尽管外部因素很重要,但细菌两两竞争的胜负情况,很大程度上决定了更复杂微生物系统的主导者,” 戈尔表示,“这对于预测微生物环境的主导菌落很重要。” 当然,人类肠道环境要复杂的多,而且真实情况下还有更多的环境变量,细菌还会分泌改变环境的物质,甚至细菌本身都会发生变化。这些没有纳入考量的因素,都会影响真实世界中微生物菌落的变化。
文章来源:《中国微生态学杂志》 网址: http://www.zgwstxzz.cn/zonghexinwen/2021/0223/361.html