核心提示:近日,以麻省理工学院为第一单位在期刊 Molecular systems biology上发表了关于肠道微生物菌群增强营养生态位和提高宿主防御能力的文章,相关研究结果在肠道微生物与宿主相互作用领域取得新了的突破。
近日,以麻省理工学院为第一单位在期刊 Molecular systems biology上发表了关于肠道微生物菌群增强营养生态位和提高宿主防御能力的文章,相关研究结果在肠道微生物与宿主相互作用领域取得新了的突破。
了解构成微生物组的各种微生物如何影响它们的宿主,是从操纵微生物组从中获得潜在利益的基础。像葡萄糖和乳糖这样的单糖很容易被宿主吸收,但更复杂的碳水化合物和植物多糖,包括纤维素、木聚糖、淀粉和菊粉,就不容易被消化了。然而,利用非原生细菌为其他动物宿主执行营养功能的研究一直受到限制。本研究提供一个新的模型系统来研究肠道微生物群提供的代谢能力如何影响宿主的营养状况,以及探索通过微生物组改变宿主代谢能力的可能性。
研究团队利用简单的动物肠道设计了一个功能性微生物群,以允许宿主利用复杂的碳水化合物。秀丽隐杆线虫被广泛用于阐明原核生物与其宿主之间的相互作用机制的模型系统,因此成为本研究模型的首选。该模型在秀丽隐杆线虫的肠道中植入纤维素分解细菌(图1),使秀丽隐杆线虫能够利用纤维素作为碳源(图2)。分解肠道纤维素的纤维素细菌定植于秀丽隐杆线虫,释放的葡萄糖就可以作为秀丽隐杆线虫本身和其他定植细菌的营养物质。为了使这个系统变得更复杂,更像自然肠道微生物群落,研究设计添加了一种额外植物乳杆菌种(图3),具有防止病原体感染的功能。这些研究表明,通过在秀丽隐杆线虫肠道中组装一个功能群落,可以扩大动物宿主的营养处理和抑制病原体能力。
图1:线虫肠道内纤维素分解菌的定植示意图
图2:肠道纤维素分解菌允许宿主利用纤维素
图3:添加益生菌可以保护秀丽隐杆线虫免受致病菌的入侵
图4:通过异源微生物群落定植秀丽隐杆线虫肠道所提供的好处
纤维素分解细菌能够分解纤维素,释放的葡萄糖可以作为秀丽隐杆线虫和定植细菌的营养物质。增加细菌种类可以提高对致病菌的抵抗力。还证明了对宿主和其他肠道物种的直接好处,即增加了幼虫的产量,反过来可能对病原体产生抗击作用(图4)。
本研究结果,说明了解宿主环境中细菌菌株之间的相互作用对于为宿主微生物生态系统选择新的殖民者至关重要。模块化正交相互作用出发的群落组装是一种很有前途的微生物群落设计方法。本研究结果也与目前使用“益生元”营养佐剂支持特定有益微生物在肠道中的植入和功能的想法一致。改造肠道微生物群可以使宿主消化新的食物来源或提高当前营养处理能力的效率。随着酶进化的快速进展和微生物工程技术,借助模型宿主生物的发展,对肠道微生物群的改造可能会加速牲畜的营养加工或扩大饮食乃至全新的食物来源。