構(gòu)建解析腸道菌群對膳食纖維應(yīng)答的生態(tài)學(xué)模型

菌心說 2022-05-25 發(fā)布于北京

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科研人員揭開不同腸道微生物間的食物紛爭

膳食纖維，因為不能被人體消化和利用，常常會進入到大腸，成為腸道微生物生長利用的主要食物。部分微生物能夠以膳食纖維為食物，而其他微生物則無法利用，這也使得膳食纖維成為調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)和功能的主要策略之一。

然而，對于膳食纖維這一美食，不同的腸道微生物并不會按照我們想的那樣，安安靜靜互不打擾的吃完這頓飯。如果兩種微生物都能夠利用，二者之間則可能會發(fā)生爭搶食物的現(xiàn)象。那么，如何揭開不同腸道微生物間的食物紛爭，進而可以利用膳食纖維更加精準的調(diào)控腸道菌群呢？基于時間序列數(shù)據(jù)的生態(tài)動力學(xué)模型為我們提供了一種有力工具。

5月21日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院戴磊課題組在Nature子刊ISME Journal上發(fā)表最新成果，該團隊基于腸道微生物組的時序數(shù)據(jù)，構(gòu)建了解析膳食纖維調(diào)控腸道菌群變化的生態(tài)動力學(xué)模型。該方法突破了傳統(tǒng)研究在橫斷面實驗設(shè)計、微生物生態(tài)學(xué)互作方面的瓶頸，為系統(tǒng)性理解腸道微生物組以及開發(fā)相應(yīng)的精準營養(yǎng)調(diào)控手段奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。團隊成員劉紅賓博士和美國紀念斯隆-凱特琳癌癥中心廖辰博士為共同第一作者，戴磊為通訊作者。

解析膳食纖維干預(yù)后腸道菌群變化的機制，已經(jīng)成為核心關(guān)鍵。團隊通過連續(xù)采集腸道微生物組的時間序列變化數(shù)據(jù)，借力生態(tài)動力學(xué)模型，推斷利用膳食纖維的關(guān)鍵微生物，以及不同微生物之間的相互作用關(guān)系，由此揭開不同腸道微生物對膳食纖維的紛爭。通過這一方法，該團隊成功推斷了小鼠腸道菌群中膳食纖維代謝功能的關(guān)鍵響應(yīng)菌，以及關(guān)鍵微生物之間的互作關(guān)系。當關(guān)鍵微生物缺失時，膳食纖維對腸道菌群的調(diào)控作用可能會“失效”。

隨后，團隊對已有的人群隊列時序數(shù)據(jù)進行了相同的建模分析，成功推斷出具有菊粉代謝功能的青春雙歧桿菌。此外，發(fā)現(xiàn)了青春雙歧桿菌與糞便擬桿菌之間存在的競爭關(guān)系，并通過體外培養(yǎng)實驗進行了驗證。比如，通過向腸道菌群中補充青春雙歧桿菌，可以觀察到糞便擬桿菌豐度的下降。

與以往研究相比，該團隊將時序數(shù)據(jù)與生態(tài)學(xué)建模的方法相結(jié)合，深入解析腸道菌群的生態(tài)學(xué)規(guī)律。該研究揭示了微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)對于理解與預(yù)測腸道菌群應(yīng)答的重要性，為開發(fā)生態(tài)層次的靶向調(diào)控手段奠定了理論基礎(chǔ)。未來，該技術(shù)將推動腸道微生物組的生態(tài)學(xué)機制研究，有望實現(xiàn)腸道微生物組的精準營養(yǎng)調(diào)控和相關(guān)疾病的預(yù)防和治療。

論文相關(guān)信息：https:///10.1038/s41396-022-01253-4