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作者：崔格格，南京农业大学硕士在读，主要研究根际资源与微生物互作。
肠道菌群是一个复杂的生态系统，尽管近年来在微生物测序和培养方面取得了进展，但人们对于肠道菌群内不同成员之间的互作关系和机制仍知之甚少。复杂的自然条件下很难将肠道微生物群落作为一个相互作用的整体，因此合成肠道微生物生态系统可以作为研究模型，以进一步了解微生物群落的组成、稳定性和功能活动。这篇综述概述了可用的体外实验系统、当前肠道菌群的培养方法和用于研究合成肠道微生物群落的数学建模模型，通过合成生物学的方法，更深入地了解肠道生态系统中微生物的互作关系，以提高对复杂肠道生态系统的理解，进而预防和治疗与生态失调相关的不同疾病。 人类肠道菌群是一个复杂且动态变化、维持人体健康和调节宿主免疫系统的微生物群落。肠道微生物群落的改变与许多疾病有关，因此，调节肠道菌群已被视为一种潜在的新型疗法。然而，基于微生物菌群疗法的主要障碍是缺乏对微生物之间及其与宿主之间的代谢和生态互作的机制研究。本文认为使用合成群落研究复杂的微生物系统可以解决这个问题。合成微生物群落是已知的、复杂性较低的系统，可接受实验干预和建模，确定产生特定互作模式从而实现系统级的理解。合成微生物群落的研究需要可控的外部环境、具有生物相关性的菌群和用于模拟菌群生态系统的数学模型。培养组学和宏基因组学的发展为设计并合成肠道微生物群落，为在体外研究这些群落提供了基础。
图1.人体肠道菌群预测和培养的发展史 体外系统(in vitro systems)是指在活的有机体之外定义和/或设计的环境，它提供了一个简单且可控的系统来研究生态互作。对于人类肠道，已经定义和设计了几种体外系统来研究合成微生物群落(图2)，如肠道模型芯片、HuMiX（人类肠道微流体模型）和微型生物反应器系统。分批发酵是在受控且封闭环境中启动微生物生长所需的所有成分的体外培养模型。加入菌株或菌株混合物后可以监测系统的整体生长情况和菌株生长情况。近年来，系统的周期性采样和高通量扩增子增加了可使用的菌株数量和混合培养的复杂性，但由于分批发酵是封闭系统，不能量化稳定状态。连续培养系统通过平衡培养基的流入和流出，以控制培养物的生长速度和生理状态进而快速筛选异种生物转化，例如趋化器和微型生物反应器(图2，右上)。微量滴度平板培养是一种特定类型的批量发酵系统，以高通量方法来研究多种不同的微生物互作。但由于在微量滴度平板培养中使用的系统体积较小，因此很难控制环境条件(如pH值和养分添加量)。 尽管有多种类型的体外培养系统，但并不能精确地模拟体内菌群结构。肠道模型芯片、HuMiX系统、微型生物反应器系统和菌株在微量滴度板中组合生长可以较为精确地模拟体内菌群。目前的挑战在于进一步缩小这些系统体积并提高其高通量分析能力和空间结构的整合。在高通量发酵系统中加入人类细胞系统，如HuMiX系统，能够研究宿主细胞对特定肠道微生物菌株及其混合物的反应，以及反向相互作用(图2下)。总体而言，考虑到大量的肠道菌群组成仍然需要评估，目前最可行的研究方法是可控制和可重复的体外系统。体内实验对于研究生态相互作用也至关重要，目前大多数体内肠道菌群研究都使用小鼠，但小鼠和人类之间存在许多宿主特异性差异。将人类细胞系纳入模型系统和类器官的工作可能在不久的将来填补这一空白，但目前所有这些系统都处于发展阶段。
图2.用于批量和连续培养肠道菌群的体外培养系统 分离人体肠道菌群 对于上述大多数挑战以及合成生态学解决方案，收集研究充分的菌种是至关重要的先决条件之一。除了由公共微生物资源中心保存和编目的参考培养菌种，近年来提出了宿主特异性培养储存库计划，如小鼠肠道细菌的收集、人类肠道细菌培养收集和人类粪便样本的可培养基因组参考目录(图3)。但这些储存库中有益肠道菌种的覆盖率较低，因此可以通过缩小系统体积和多功能高通量技术来扩大人类肠道细菌的分离和培养范围。然而，为了达到宏基因组学的规模和深度，未来的分离工作需要集成到自动化平台和专用通道中。这可以为分离未培养过的菌种和发现新的微生物提供技术支持，并成为推断它们互作的高通量方法。
图3.人类肠道菌群中测序、培养和实验验证相互作用的细菌物种之间的差距 数学建模 数学模型可以描述不同条件下肠道菌群的动态变化，进而优化治疗性微生物群落以实现病原体抑制或免疫系统调节等功能，如代谢模型、动力学模型和Lotka-V拉模型。此外，数学模型还能探索难以通过实验获得的微生物功能特性并揭示观测结果背后的机制。例如替代肠道群落类型的模型表明，多稳定性、优先效应或结肠中水分吸收和养分流入的差异可能是不同群落组成的驱动因素。微生物群落可以在不同的分辨率水平上建模，从每个群落成员内部的代谢模型，到将群落成员表示为节点，并将它们的相互作用表示为有向或无向边的拓扑模型。在将数学模型应用于人体肠道菌群时，必须克服许多挑战，因为人类肠道有数百万种微生物，每种微生物都有特定的最适pH值，以及与其他微生物和人类宿主的特定相互作用。因此模型必须降低系统的复杂性，体外实验有助于控制混杂因素并系统地测量模型参数。诸如此类的体外实验和建模策略是迈向体内预测建模的重要一步。 合成肠道微生物群落可以提高我们对生态特性的理解，从自下而上的细胞间过程到自上而下的群落过程。目前肠道培养物的体外批量实验可以部分模拟人肠道环境并观察整个生态系统过程，进而阐明潜在的细胞间互作机制（图4）。一旦开发出高通量的分析和培养能力，数学建模和肠道微生物培养之间就可以形成反馈循环，数学模型通过假设生成来指导微生物培养工作，培养结果反馈以生成新模型。我们可以通过这个循环对肠道生态系统进行更深层次的理解，并指导新的调节策略的开发。鉴于肠道微生物群落与人体宿主之间存在大量的代谢活动和多个互作点，合成生态学对促进人类健康的研究具有良好的发展前景。
论文信息 原名：Synthetic ecology of the human gut microbiota 译名：人体肠道菌群的合成生态学 期刊：Nature Reviews Microbiology DOI：10.1038/s41579-019-0264-8 发表时间：2019.10 通讯作者：Gino Vrancken，Ann C.Gregory 通讯作者单位：比利时鲁汶大学 |
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图4.不同类型的人类肠道菌群模型之间的联系
