斯坦福大学Cell最新发文：构建了最复杂、最完整的肠道合成微生物群

超过100种细菌的微生物群落可以帮助科学家更多地了解微生物群和人类健康之间的联系。

　　

过去十年的关键研究表明，肠道微生物群(生活在人类消化系统中的数百种细菌的集合)影响神经发育、对癌症免疫疗法的反应和其他健康方面。但是这些群体是复杂的，没有系统的方法来研究其成分，与某些疾病相关的确切的细胞和分子仍然是一个谜。

斯坦福大学(Stanford University)的研究人员构建了最复杂、定义最明确的合成微生物群，创建了一个超过100种细菌的群落，并成功地将其移植到小鼠体内。添加、删除和编辑单个物种的能力将使科学家更好地了解微生物组和健康之间的联系，并最终开发出一流的微生物组疗法。

许多关键的微生物组研究都是通过粪便移植来完成的，将整个自然微生物组从一个生物体引入到另一个生物体。虽然科学家们通常会让某个基因沉默，或者从某个特定细胞甚至一整只小鼠身上移除某种蛋白质，但没有这样一套工具可以在给定的粪便样本中移除或修改数百个物种中的一个。

9月6日发表在《细胞》(Cell)杂志上的研究的通讯作者Michael Fischbach说:“如果不是有能力分段操作复杂的生物系统，我们就不会知道这么多关于生物学的知识。”

Fischbach是生物工程、微生物学和免疫学副教授，他发现了一个解决方案：通过单独生长，然后混合其组成细菌，从头建立一个微生物组。

建造方舟

微生物组中的每个细胞都占据着一个特定的功能生态位，进行分解和构建分子的反应。为了构建一个微生物组，团队必须确保最终的混合物不仅是稳定的，保持平衡，没有任何单一物种压倒其他物种，而且还要具有功能，执行一个完整的、自然的微生物组的所有行动。考虑到个体之间的自然变异，选择物种纳入它们的合成群落也很困难;随机选择的两个人只有不到一半的微生物基因相同。

研究人员决定从最常见的细菌中构建他们的菌落，并求助于人类微生物组计划(HMP)，这是美国国立卫生研究院的一项倡议，旨在对300多名成年人的全部微生物基因组进行测序。

Fischbach说:“我们在人类肠道中寻找细菌物种的诺亚方舟，试图找到那些几乎总是存在于任何个体体内的细菌。”

他们选择了至少20% HMP个体中存在的100多种细菌菌株。再加上一些后续研究需要的物种，他们就有104个物种，他们在单独的种群中生长，然后混合到一个组合的文化中，形成他们所谓的人类群落，或称hCom1。

尽管这些菌株可以在实验室中共存，但真正的测试是它们的新菌落是否会在肠道中生根。他们将hCom1引入精心设计的没有细菌存在的小鼠体内。hCom1非常稳定，98%的组成物种定植在这些无菌小鼠的肠道中，每个物种的相对丰度水平在两个月内保持不变。

菌落侵略

为了使它们的菌落更完整，研究人员希望确保所有重要的微生物组功能都将由一个或多个物种执行。他们依靠的是一种被称为“定植抗性（colonization resistance，生物通注）”的理论，该理论解释了任何细菌，当被引入一个现有的菌落时，只有在它能填补一个尚未被占据的微环境时才能存活。

通过引入一个完整的微生物群，以人类粪便样本的形式，到他们的聚居地，并追踪任何定居的新物种，他们可以建立一个更完整的群落。

有些人怀疑这是否可行。“hCom1中的细菌物种只在一起生活了几个星期，”Fischbach说。“我们来到这里，介绍一个已经共存了十年的社区。有些人认为它们会毁灭我们的殖民地。”

值得注意的是，hCom1保持了自己的地位，在最终群落中只有大约10%的细胞来自于粪便移植。

他们在三次粪便移植研究中发现了至少两种超过20种的新细菌。将这些菌株加入到它们最初的群落中，并移除那些未能在鼠肠道中生根的菌株，这样它们就得到了一个由119个菌株组成的新群落，被称为hCom2。第二次迭代仍然是单独生长，然后混合成分，使小鼠比第一次更能抵抗粪便的挑战。

最后的挑战

为了证明他们的合成微生物组的效用，该团队采取了hCom2定植的小鼠，用大肠杆菌样本对它们进行研究。这些小鼠和那些被天然微生物组定植的小鼠一样，抵抗了感染。

之前的研究已经表明，健康的天然微生物群具有保护作用，但Fischbach和同事可以进一步通过反复消除或修改某些菌株来确定哪些菌株具有特别的保护作用。他们发现了几种关键的细菌，并计划进行进一步的研究，以缩小到最关键的物种。

Fischbach相信hCom2，或者它的未来版本，将使类似的还原主义研究成为可能，揭示细菌在其他领域的作用，比如免疫治疗反应。

“我们为更广泛的研究界建立了这个联盟。我们希望让尽可能多的人得到它，对这个领域产生影响”。

他还设想，这种从头开始构建微生物组的方法将使基于微生物组的工程化治疗在未来成为可能。作为斯坦福微生物组疗法计划(MITI)的主任，该计划由萨拉凡化学- h和生物工程系于2019年发起，他的目标是构建工程化的社区，有朝一日可以移植到人体内，以治疗或预防各种疾病。

文章标题

Design, construction, and in vivo augmentation of a complex gut microbiome