與人類(lèi)一樣，細(xì)菌有著復(fù)雜的關(guān)系：它們可以是友好的，中立的，也可以是對(duì)立的，這些關(guān)系可以根據(jù)他們發(fā)現(xiàn)自己的情況而改變。近年來(lái)，隨著對(duì)識(shí)別人類(lèi)微生物組中存在的導(dǎo)致健康和疾病的細(xì)菌物種的興趣的爆發(fā)，人們也開(kāi)始努力了解不同種類(lèi)的細(xì)菌如何相互作用。
這些知識(shí)可以創(chuàng)造基于細(xì)菌的療法和工具，可用于改善人類(lèi)健康，生產(chǎn)有價(jià)值的物質(zhì)或修復(fù)微生物生態(tài)系統(tǒng)。然而，在人類(lèi)腸道等復(fù)雜環(huán)境中，細(xì)菌聯(lián)合體內(nèi)多個(gè)物種之間同時(shí)發(fā)生的關(guān)系被證明是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。
現(xiàn)在，由于Wyss生物啟發(fā)工程研究所，哈佛醫(yī)學(xué)院(HMS)和布萊根婦女醫(yī)院(BWH)的研究人員的努力，科學(xué)是邁向這一目標(biāo)的又一個(gè)重要步驟。在上周發(fā)表在mSystems上的一篇新論文中，他們報(bào)告說(shuō)他們能夠在一個(gè)聯(lián)盟中成功地操縱四種不同的細(xì)菌菌株，使它們的相互作用變得有益而不是對(duì)抗，并且它們各自的數(shù)量在不同復(fù)雜程度的環(huán)境中變得更加平衡，包括活老鼠的腸道。
“只要有多個(gè)物種共存于同一空間并使用相同的資源，它們就可能彼此對(duì)抗，因?yàn)樗鼈兌荚噲D成為幸存者，”作者M(jìn)arika Ziesack博士說(shuō)。 Wyss Institute和HMS的博士后研究員。“通過(guò)將細(xì)菌推向更有利于互利的相互作用，我們終可以使整個(gè)物種聯(lián)盟更加強(qiáng)大和有彈性，并且有希望有朝一日能夠開(kāi)發(fā)合成聚生體，這些聚合物jia地適用于人類(lèi)腸道健康和生物生產(chǎn)中的各種應(yīng)用。”
為了使細(xì)菌相互之間發(fā)揮良好的作用，研究人員修改了它們的基因組，使每個(gè)物種都無(wú)法產(chǎn)生它需要運(yùn)作的三種氨基酸并過(guò)量生產(chǎn)第四種氨基酸。因此，如果其他三個(gè)物種存在于社區(qū)并生產(chǎn)缺乏的氨基酸，每個(gè)物種只能繁榮發(fā)展，這促使細(xì)菌采用更加生動(dòng)和生活的方式。
物種之間的這種代謝物交叉喂養(yǎng)在自然界中是常見(jiàn)的 - 人類(lèi)不能產(chǎn)生我們維持身體所需的20種氨基酸中的9種，因此我們必須消耗多種飲食來(lái)獲得這些必需的構(gòu)建模塊。許多細(xì)菌也依賴(lài)于其他物種來(lái)制造它們?nèi)狈χ圃炷芰Φ幕衔铮⑶疫@種共同依賴(lài)被認(rèn)為有助于使細(xì)菌聚集體更加多樣化，這反過(guò)來(lái)又有助于它們抵抗任何一個(gè)物種的支配或者關(guān)鍵成員的喪失。可能導(dǎo)致財(cái)團(tuán)崩潰。
該團(tuán)隊(duì)選擇用于制造人工聚生體的四種細(xì)菌種類(lèi)均存在于哺乳動(dòng)物腸道中：大腸桿菌，鼠傷寒沙門(mén)氏菌，B.thetaiotaomicron和脆弱擬桿菌。對(duì)每種菌株進(jìn)行遺傳修飾以過(guò)量產(chǎn)生甲硫氨酸，組氨酸，色氨酸或精氨酸，并且其產(chǎn)生其他三種氨基酸的能力被淘汰。
為了評(píng)估每個(gè)菌株是否能夠“拯救”其過(guò)量產(chǎn)生的氨基酸缺陷的其他菌株，研究人員依次分離出每種菌株分泌的化合物，并在這些化合物存在下培養(yǎng)其他菌株。與其中添加來(lái)自非過(guò)量產(chǎn)生菌株的化合物的對(duì)照組相比，每個(gè)過(guò)量產(chǎn)生者能夠不同程度地拯救其他菌株，這取決于每種菌株生長(zhǎng)所需的氨基酸的量。
為了了解四種修飾菌株如何作為一個(gè)聯(lián)合體共同作用，研究人員將它們一起培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)它們以大致相同的比例生長(zhǎng)，但總數(shù)低于同一菌株生長(zhǎng)在一起的非工程化版本，表明所有缺乏的菌株能夠從其他菌株中獲得足夠的氨基酸以存活和繁殖。然后研究小組多次重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，每次將一個(gè)菌株的起始種群減少十倍，看看財(cái)團(tuán)如何對(duì)失去一個(gè)成員作出反應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，在非工程菌的聚集體中，被擊倒的菌株沒(méi)有恢復(fù)，而在工程菌的聚生體中，鼠傷寒沙門(mén)氏菌和B.theta在擊倒后恢復(fù)到正常水平。擊倒后大腸桿菌和脆弱擬桿菌都無(wú)法恢復(fù)，
敲低實(shí)驗(yàn)還揭示了非工程化和工程化聯(lián)合體中不同菌株之間的關(guān)系。在非工程聯(lián)合體中，某些菌株的缺失導(dǎo)致其他菌株過(guò)度生長(zhǎng)，表明這些菌株自然地相互競(jìng)爭(zhēng)。然而，在工程聯(lián)合體中，一個(gè)物種的擊倒并沒(méi)有顯著改變剩余物種的比例，事實(shí)上，脆弱擬桿菌的敲除對(duì)鼠傷寒沙門(mén)氏菌和大腸桿菌都有負(fù)面影響，表明存在脆弱擬桿菌對(duì)這些物種有益。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，工程菌的聚集體顯示出比非工程化聚生體更大的均勻度 - 每種物種的數(shù)量大致相似 - 無(wú)論是在體外還是將聚集體接種到無(wú)菌小鼠的腸道中。當(dāng)細(xì)菌在低氨基酸環(huán)境中生長(zhǎng)時(shí)，這種趨勢(shì)也存在，表明工程菌成功地能夠交叉互相喂食氨基酸以形成穩(wěn)定的群落。
“正如在一個(gè)復(fù)雜的物種網(wǎng)絡(luò)中所預(yù)期的那樣，并非所有的細(xì)菌菌株都相互作用相互作用;工程化的大腸桿菌和鼠傷寒沙門(mén)氏菌似乎從擬桿菌屬物種中脫離出來(lái)而沒(méi)有提供盡可能多的益處。其他成員，所以未來(lái)的研究可以集中在優(yōu)化每個(gè)物種過(guò)多產(chǎn)生其給定氨基酸并消耗其他物種的數(shù)量，以提高財(cái)團(tuán)的整體適應(yīng)性而不損害物種的均勻度，“共同通訊作者Pamela Silver博士說(shuō)。 ，Wyss Institute的創(chuàng)始核心教員，也是HMS的Elliot T.和Onie H. Adams生物化學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)教授。
