人體微生物群落或迎來研究突破

在人體腸道內(nèi)，存在160多種、100萬億個(gè)微生物群落。微生物群落發(fā)揮作用，是通過多種微生物相互作用實(shí)現(xiàn)的。他們不是獨(dú)立的個(gè)體，而是互相配合、互相影響、互相競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系。這種關(guān)系復(fù)雜而又難以驗(yàn)證，人體內(nèi)微生物群落的研究難度超出想象。

中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員、博士生導(dǎo)師戴磊就是研究微生物群落的一名生力軍。他在本科階段進(jìn)入中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)習(xí)，之后到麻省理工學(xué)院讀博，期間，更靈活的思維模式，開闊的眼界，讓他決定在物理和生物交叉領(lǐng)域進(jìn)行一些嘗試?；貒?guó)后，他加入中科院，全心參與到合成微生物組學(xué)的研究中。

戴磊說：“研究人體內(nèi)微生物群落之所以困難，有兩個(gè)重要的原因。一是缺少研究工具，二是缺乏系統(tǒng)生物學(xué)思維。”

比如，艱難梭菌是人體內(nèi)普遍存在的一種細(xì)菌，真正對(duì)人體產(chǎn)生威脅的不是細(xì)菌本身，而是在某些條件下，其釋放的毒素?；忌掀D難梭菌感染（CDI）的病人會(huì)出現(xiàn)水樣腹瀉或腹部絞痛，嚴(yán)重時(shí)會(huì)脫水乃至威脅生命。而治療CDI常用的抗生素法，會(huì)讓細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性以至于導(dǎo)致CDI復(fù)發(fā)。

根據(jù)哈佛醫(yī)學(xué)院的研究顯示，20%接受抗生素治療的CDI病人會(huì)復(fù)發(fā)感染。當(dāng)前，清除CDI的最佳方法就是FMT，即糞便移植，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，針對(duì)CDI復(fù)發(fā)患者，F(xiàn)MT有效性約為85%-90%。為什么FMT作用如此出色，科學(xué)家也不太清楚。

生物學(xué)家搞不清楚的事，引起了麻省理工學(xué)院物理學(xué)家的興趣。杰夫戈?duì)?，也是戴磊的博士?dǎo)師，他用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺W(xué)方法研究“生物如何在復(fù)雜的社群中生存下去”這一問題，大大推動(dòng)了人體微生物群落研究這一領(lǐng)域的進(jìn)步。

一個(gè)悖論和一個(gè)笑話

物理學(xué)家和生物學(xué)家看待問題的角度不同。在他們各自的領(lǐng)域，物理學(xué)家會(huì)問：“為什么它（物種）存在而不是不存在？”生物學(xué)家會(huì)問：“為什么有很多物種而不是少數(shù)物種？”

著名英國(guó)生態(tài)學(xué)家G.Evelyn Hutchinson在1960年的美國(guó)自然主義者協(xié)會(huì)會(huì)議上，提出了“浮游生物悖論”。在一瓶海水中，存在著各種浮游生物，他們都在爭(zhēng)奪相同的營(yíng)養(yǎng)元素。根據(jù)達(dá)爾文的進(jìn)化論，隨著時(shí)間的推移，應(yīng)該只有一種生物會(huì)占據(jù)生態(tài)位，但最后的結(jié)果是，競(jìng)爭(zhēng)物種在生態(tài)系統(tǒng)中得以穩(wěn)定共存，這不合理。

為什么獲得優(yōu)勢(shì)的物種沒有勝過其他所有物種？為什么不存在一種或幾種生物，獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)后驅(qū)逐了所有其他的物種？自從達(dá)爾文完成《物種起源》，這個(gè)問題已經(jīng)困擾了科學(xué)家150多年。

同樣，在物理學(xué)領(lǐng)域，存在這樣一個(gè)笑話：物理學(xué)家可以描述兩個(gè)或者無限多個(gè)元素的系統(tǒng)，但是在2與無窮大之間，我們一無所知。通俗的說，物理學(xué)家清楚兩個(gè)原子之間的相互作用;如果是一個(gè)房間內(nèi)的原子，數(shù)量趨于無窮大，科學(xué)家可以用溫度、壓強(qiáng)等指標(biāo)來描述這些原子集合的狀態(tài)。但如果研究100個(gè)或者500個(gè)原子之間是怎樣互相作用的，科學(xué)家就束手無策了。

一個(gè)悖論和一個(gè)笑話。其揭示的是同一個(gè)問題，即對(duì)一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)或微生物系統(tǒng)，科學(xué)家難以研究其復(fù)雜的中間狀態(tài)，要么只能對(duì)單個(gè)、兩個(gè)元素的系統(tǒng)進(jìn)行研究，要么對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做出解釋。

戈?duì)柕难芯繕O有可能打破這一瓶頸。

在20個(gè)世紀(jì)90年代后期，戈?duì)栠€是MIT的一名本科生。他與沃爾夫?qū)鶆P特爾一起開發(fā)了一種用于研究玻色一愛因斯坦冷凝物的實(shí)驗(yàn)儀器，凱特爾于2001年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，戈?duì)栠M(jìn)入加州大學(xué)伯克利分校學(xué)習(xí)生物物理學(xué)，并以博士后的身份再次回到MIT，開始他位于物理學(xué)一生態(tài)學(xué)邊界上的研究。

將“精確”與“量化”引人生態(tài)學(xué)研究

在戈?duì)柨磥?，解釋生物如何在?fù)雜的環(huán)境中生存，一定存在一個(gè)“大而美的理論”。他注意到，在先前的研究中，理論和測(cè)量方法并不能總是得以匹配。這意味著，明確的、清晰的、可復(fù)制的側(cè)向方法是缺失的。因此，戈?duì)枌⑽⑸镏糜趪?yán)格控制的環(huán)境中，并且用最先進(jìn)的儀器跟蹤每個(gè)微生物個(gè)體的命運(yùn)，并且嚴(yán)格計(jì)數(shù)。

從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，戈?duì)栐O(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)。

首先是在糖溶液中培養(yǎng)啤酒酵母菌落。這些酵母菌能夠?qū)⒉豢墒秤玫奶寝D(zhuǎn)化為可食用的糖，因此每個(gè)酵母菌都可以從鄰近的酵母受益，但逐漸稀釋的糖溶液會(huì)最終導(dǎo)致酵母菌落餓死。研究人員在數(shù)據(jù)中捕捉信號(hào)，預(yù)測(cè)酵母菌落會(huì)繁衍還是崩潰。

這項(xiàng)研究于2012年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，是戈?duì)枌?shí)驗(yàn)室迄今為止被引用最多的論文，其中最有名的是一個(gè)分岔圖，描繪了決定該生態(tài)系統(tǒng)保持穩(wěn)定或走向崩潰的精確條件。此前，類似的研究大多停留在理論和模擬上。戈?duì)栍脤?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了理論的正確性。

既然已經(jīng)驗(yàn)證了只有一個(gè)生物的生態(tài)系統(tǒng)，那下一步當(dāng)然是研究?jī)蓚€(gè)生物的系統(tǒng)了。

研究團(tuán)隊(duì)接下來從土壤中分離了八種細(xì)菌菌株，將它們兩兩配對(duì)并放置于96孔板中，觀察它們的共存關(guān)系。之后這些細(xì)菌又被全部混合在一起，因?yàn)橐獜恼w上觀察它們的相處模式。

舉個(gè)例子，假設(shè)現(xiàn)在有3種細(xì)菌A、B和C，我們可以將它們兩兩配對(duì)組合成A B，B C和AC3組生態(tài)系統(tǒng)。如果我們觀察到A能擊敗B（兩者合并后A成為主導(dǎo)菌），B能擊敗C，那么A就有很大機(jī)率擊敗C。

這符合我們的直覺。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也證實(shí)，這個(gè)推測(cè)的機(jī)率是90%左右。也就是說，A更有可能在復(fù)雜的A、B、C共存的混合環(huán)境中生存下去。

三種細(xì)菌循環(huán)克制

有了前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)做鋪墊，戈?duì)栂Ｍ苓M(jìn)一步拓展研究范圍，使實(shí)驗(yàn)更貼近現(xiàn)實(shí)情況。于是他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在MIT校園中挖了一些土壤，拿回實(shí)驗(yàn)室分離出了近1000種細(xì)菌菌株。

他們希望找到3種細(xì)菌相互克制的情況，類似于石頭-剪刀-布的關(guān)系，但這種情況在大自然中非常少見。

設(shè)計(jì)這套實(shí)驗(yàn)的部分動(dòng)機(jī)最早可以追溯到20世紀(jì)70年代。生態(tài)學(xué)理論學(xué)家提出，或許可以利用3個(gè)物種的混合競(jìng)爭(zhēng)創(chuàng)造“高階”穩(wěn)定狀態(tài)，防止一個(gè)物種大幅超越其他物種，優(yōu)雅地實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)多樣化。

然而由于缺乏實(shí)際數(shù)據(jù)支撐，科學(xué)家也不知道看似行得通的理論是否有實(shí)際價(jià)值。

在近1000種細(xì)菌中，戈?duì)柕难芯繄F(tuán)隊(duì)只發(fā)現(xiàn)了一套3物種循環(huán)克制關(guān)系。當(dāng)他們把這3種細(xì)菌和其他17種細(xì)菌放在一個(gè)培養(yǎng)皿中，整個(gè)系統(tǒng)遵守的是A擊敗B，B擊敗C，C擊敗D的游戲規(guī)則。

最終只剩下3種細(xì)菌，成為了可以共存的優(yōu)勢(shì)菌。

這與原本多樣化且穩(wěn)定的土壤菌落環(huán)境相去甚遠(yuǎn)，而且預(yù)期的“3物種循環(huán)克制”并沒有發(fā)揮太大作用。

戈?duì)柕贸鼋Y(jié)論稱，土壤物理基質(zhì)內(nèi)環(huán)境條件的微小變化可能會(huì)穩(wěn)定自然環(huán)境中的微生物多樣性。

雖然這只是一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的工作方式縮影，但仍然是十分寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

人體內(nèi)的微生態(tài)系統(tǒng)

為了將研究成果進(jìn)一步推廣到實(shí)際應(yīng)用中，戈?duì)枅F(tuán)隊(duì)最近把目光轉(zhuǎn)向了腸道微生物領(lǐng)域。

微生物在大自然中扮演著重要角色，比如土壤里的微生物雖然微不足道，但沒有它們就沒有茁壯生長(zhǎng)的森林和其他植物，也就沒有了生態(tài)系統(tǒng)最重要的生產(chǎn)者，隨之而來的就是生物多樣性的崩潰，還會(huì)對(duì)氣候造成巨大影響。

事實(shí)上，科學(xué)家們也將人體消化系統(tǒng)視為微生態(tài)系統(tǒng)。腸道中廣泛存在的有益微生物群落可以幫助我們更好地消化食物，吸收營(yíng)養(yǎng)，甚至是提升免疫力和認(rèn)知能力。但也存在許多有害的微生物，例如引發(fā)腹瀉和結(jié)腸炎的艱難梭菌。

針對(duì)類似的消化道疾病，有一種治療方式是糞便菌落移植。醫(yī)生會(huì)通過灌腸或口服膠囊等方式，將處理過的健康人的糞便提取液轉(zhuǎn)移到患者體內(nèi)，從而重建健康的腸道群落。

戈?duì)柕难芯繄F(tuán)隊(duì)希望能有所突破。他們的最新研究指出，當(dāng)一個(gè)新的微生物進(jìn)入到雙微生物共生的生態(tài)系統(tǒng)中時(shí)，該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)菌種通常會(huì)發(fā)生變化。這可能是糞便菌落移植能夠擊敗艱難梭菌的原因。

人體內(nèi)微生物數(shù)量過于龐大，作為研究的起點(diǎn)，戈?duì)柨粗辛松飳W(xué)家做實(shí)驗(yàn)常用的秀麗隱桿線蟲。這是一種以細(xì)菌為食，通體透明，非常容易培育的優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

他們采用了類似土壤實(shí)驗(yàn)的辦法，把帶有紅色和綠色標(biāo)簽（染色）的細(xì)菌喂給線蟲，然后等一段時(shí)間后再將其解剖，以確定腸道中細(xì)菌的存活情況。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了11種細(xì)菌的兩兩對(duì)比，然后再喂給線蟲其中的三種。就像土壤實(shí)驗(yàn)中揭示的一樣，如果A能擊敗B，B能擊敗C，那么在A、B、C共存的環(huán)境中，A在絕大多數(shù)情況下都是主導(dǎo)群落。

“盡管外部因素很重要，但細(xì)菌兩兩競(jìng)爭(zhēng)的勝負(fù)情況，很大程度上決定了更復(fù)雜微生物系統(tǒng)的主導(dǎo)者，”戈?duì)柋硎?，“這對(duì)于預(yù)測(cè)微生物環(huán)境的主導(dǎo)菌落很重要。”當(dāng)然，人類腸道環(huán)境要復(fù)雜的多，而且真實(shí)情況下還有更多的環(huán)境變量，細(xì)菌還會(huì)分泌改變環(huán)境的物質(zhì)，甚至細(xì)菌本身都會(huì)發(fā)生變化。這些沒有納入考量的因素，都會(huì)影響真實(shí)世界中微生物菌落的變化。

研究微生物療法的MIT生物學(xué)家塔米利伯曼認(rèn)為，想要在實(shí)驗(yàn)室中完全復(fù)制人體微生物菌落的狀態(tài)非常困難，但“這不意味著努力是白費(fèi)的”。她正與戈?duì)栍懻撘豁?xiàng)新的合作，以測(cè)試和預(yù)測(cè)人類腸道環(huán)境中微生物之間的相互作用。

微生物群落：不止一種研究方法

目前，戈?duì)柌捎昧恕白韵露稀钡难芯克悸?，嘗試搞清楚每種微生物作用，然后再推廣到大范圍微生物物種。但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)展到一定規(guī)模，具備更加復(fù)雜的特性時(shí)，這種方法的局限性就會(huì)顯現(xiàn)一一構(gòu)建成千上萬物種之間的相互關(guān)系異常困難。

波士頓大學(xué)的理論物理學(xué)家家潘卡吉梅塔表示，雖然戈?duì)柕难芯砍晒钊擞∠笊羁?，超出了他的預(yù)期，但他對(duì)戈?duì)柲茏叨噙h(yuǎn)持懷疑態(tài)度。

他認(rèn)為，如果預(yù)測(cè)結(jié)果的方法是基于對(duì)每個(gè)元素的完全掌握，那么當(dāng)系統(tǒng)變得非常復(fù)雜時(shí)，就會(huì)變得幾乎無法預(yù)測(cè)。

不論評(píng)價(jià)如何，戈?duì)柕热说难芯繒?huì)堅(jiān)持下去。他們已經(jīng)研究了40種不同環(huán)境下的20種土壤細(xì)菌，獲得了超過18萬對(duì)相互作用關(guān)系。初步結(jié)果是，一種微生物受益于另一種微生物的相互作用關(guān)系比想象中普遍得多。這可能會(huì)顛覆科學(xué)家對(duì)微生物菌落行為的傳統(tǒng)認(rèn)知。

根據(jù)戴磊的介紹，針對(duì)人體微生物群落的研究，至少存在3個(gè)層面的研究思路。第一種是針對(duì)基因組表達(dá)，研究結(jié)構(gòu)對(duì)基因表達(dá)的影響，重在理解3D結(jié)構(gòu)。第二種稱之為調(diào)控，比如用噬菌體清除群落內(nèi)的一種細(xì)菌，進(jìn)行對(duì)照研究。第三種就是利用合成生物學(xué)的方法，降低復(fù)雜度，從人工合成細(xì)菌開始，組裝一個(gè)群落，從“造物”的過程中去理解它。

不僅僅是在美國(guó)，中國(guó)的研究人員也在開展人體微生物群落的相關(guān)研究。深圳未知君生物科技有限公司創(chuàng)始人譚驗(yàn)說“戈?duì)柌捎玫姆椒ㄊ恰韵露?，從菌株開始，現(xiàn)在大量的方法是‘自上而下，對(duì)人群進(jìn)行隊(duì)列試驗(yàn)”。未知君則同時(shí)開展了“自上而下”和“自下而上”的研究。他們收集了大量了臨床數(shù)據(jù)，用“自上而下”的方法進(jìn)行分析。同時(shí)，也采用合成生物學(xué)的方法，敲除細(xì)菌的基因，然后為群落建模驗(yàn)證。

人體微生物群落的研究還處在初級(jí)階段，任何一種研究思路都具有重意義。正如戈?duì)柦淌谒f：“我們現(xiàn)在只是打地基，類似于物理學(xué)家理解量子力學(xué)和原子的方式，”它表示，“物理學(xué)家試圖理解氫的性質(zhì)，并非因?yàn)樗麄儗?duì)氫多感興趣，而是如果我們不了解氫，就不能進(jìn)一步了解在氫基礎(chǔ)上構(gòu)建的物質(zhì)。”