我們都知道，腸道細菌以我們吃入的食物為生。反過來，它們也會為我們提供維持健康所必須的營養(yǎng)物質(zhì)，能夠?qū)共≡w，甚至引導(dǎo)我們的免疫反應(yīng)。
有些細菌能夠成功地在我們的大腸中定居下來，而其他的細菌則很快消失，理解這些細菌為什么具備這種能力，可以幫助科學(xué)家們弄清楚如何通過控制腸道中的微生物組來增強人類健康并預(yù)防疾病。但是腸道生態(tài)環(huán)境的極度復(fù)雜性使得這一任務(wù)非常艱巨。
近日，美國斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家對實驗室小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，控制小鼠飲食的方法可以實現(xiàn)腸道細菌種類的變更，還可以通過調(diào)節(jié)小鼠飲食或飲水中一種特定碳水化合物的水平來控制一種腸道細菌的生長。
微生物學(xué)和免疫學(xué)助理教授Justin Sonnenburg博士是該研究的通訊作者。他說：“我們腸道中的微生物群落，在我們出生的前幾年中以一種非?；靵y的方式聚集著。盡管在我們生命的整個過程中會不斷獲得新的菌種，但這種過程是很難控制的。這項研究表明，我們其實能夠以一種精心設(shè)計的方式來重構(gòu)腸道微生物群落，以增強健康和應(yīng)對疾病。”這項研究于5月9日發(fā)表在《Nature》上。Sonnenburg的研究生Elizabeth Shepherd博士是該研究的第一作者。
幫助細菌生長
益生菌這一新興領(lǐng)域，是公眾對腸道細菌重要性認識逐漸增強的一個窗口。益生菌是一類對宿主有益的活性微生物，通常存在于食物中，比如酸奶，也存在于很多非處方口服補充劑中。即使你沒有服用益生菌或者喝酸奶，我們也都會在不知情的情況下攝入了少量調(diào)節(jié)腸道的微生物，但很多益生菌會快速地直接通過我們的消化道，不留下一絲足跡。
Sonnenburg和同事們猜測，飲食促進的方式是否可以使特定的細菌種類在腸道微生物菌落中增加。為了一探究竟，他們來到了圣何塞廢水處理廠尋找擬桿菌。擬桿菌是人類腸道微生物中最普遍的菌屬。他們專門尋找一種能夠消化美式飲食中相對罕見成分的菌株，即海藻。海藻類食物，如紫菜常用于壽司卷或其他日本食物中。他們篩選了主要污水中收集的細菌，以便能夠使用紫菜中發(fā)現(xiàn)的稱為卟啉（porphyran）的碳水化合物。
Sonnenburg說：“那些允許細菌能夠消化卟啉的基因在不經(jīng)常吃紫菜的人體內(nèi)非常罕見。這恰恰可以測試我們是否能回避復(fù)雜的腸道生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)則，來創(chuàng)造出一種特別的生態(tài)位，實現(xiàn)單一微生物在沒有腸道中其他30萬億微生物競爭的情況下得以生存?！?/span>
一旦他們發(fā)現(xiàn)能夠消化紫菜的擬桿菌，研究人員就會將其植入到三組實驗室小鼠的體內(nèi)，其中兩組小鼠自己的腸道細菌被移除，分別替換為來自兩位健康人類捐獻者的腸道細菌。第三組小鼠則擁有正常小鼠所特有的腸道菌群。
直接影響
研究人員發(fā)現(xiàn)，對小鼠喂食典型的小鼠食物時，在兩組小鼠中消化卟啉的細菌能以不同但有限的程度的存活。其中一組被植入人類腸道細菌的小鼠則完全拒絕了新菌株。然而，當(dāng)對小鼠喂食富含卟啉的飲食時，結(jié)果就明顯不同了：這種細菌在所有小鼠體內(nèi)都以相似的程度穩(wěn)定存活下來。此外，Shepherd發(fā)現(xiàn)，她可以夠通過增加或減少食物中的海藻量來精確地調(diào)整小鼠腸道中移植細菌的種群大小。
Sonnenburg說：“這項稀釋實驗的結(jié)果給我們留下深刻印象。飲食對腸道菌群的直接影響非常明顯?！?/span>
除了證明他們能夠促進這種消化海藻的細菌的存活和生長，研究人員們還進一步表明，對于消化卟啉菌必要的基因可以作為一個整體通過基因工程的方法植入到其他擬桿菌中，使這些擬桿菌也具備了相同的生存優(yōu)勢?，F(xiàn)在，他們正在努力尋找其他賦予相似飲食能力的基因。
Sonnenburg說：“我們可以利用這些基因模型開發(fā)出一種大型工具包，使微生物療法成為現(xiàn)實。消化卟啉的基因和富含海藻的飲食是第一對組合，但是可能存在成百上千這樣的組合。我們想要將這種簡單的范式擴展到大量的飲食成分和微生物上?！?/span>
研究人員還設(shè)想開發(fā)出擁有死亡開關(guān)或邏輯門的細菌，這樣醫(yī)生們就可以隨意地在發(fā)生特定事件的時候控制細菌的活動了。
Sonnenburg說：“過去10年來，腸道微生物不僅與我們的生物學(xué)的許多方面相關(guān)，而且它們也非常具有可塑性，這在過去10年變得非常明顯。我們控制微生物的能力也在日益增強，這將改變精準醫(yī)療的實施方式。比如，如果癌癥患者要開始接受免疫治療，那么醫(yī)生就可以選擇能夠激活免疫系統(tǒng)的細菌種類。相反，如果某位患者患有自體免疫疾病，那么我們就可以利用另外一些抑制免疫反應(yīng)的細菌對他進行治療。細菌正是調(diào)節(jié)我們健康和疾病的非常有力的杠桿?！?/span>
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