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如何跟细菌成为更好的朋友

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2020-03-26浏览次数:1577

与人类一样,细菌具有复杂的关系:它们可以是友好的,中立的或敌对的,这些关系可以根据它们发现自己的位置而改变。近年来,已经努力了解不同类型的细菌如何与识别引起人类微生物组中的健康和疾病的细菌物种的感兴趣的爆发相互作用。

这些知识可以创造基于细菌的疗法和工具,可用于改善人类健康,生产有价值的物质或修复微生物生态系统。然而,在诸如人类肠道的复杂环境中,体内多种物种中细菌的同时关联已被证明是一项艰巨的挑战。

现在,由于Wyss Bio-Inspired工程研究所,哈佛医学院(HMS)和布莱根妇女医院(BWH)的研究人员的努力,科学是实现这一目标的又一重要步骤。在上周发表在mSystems上的一篇新论文中,他们报告说他们能够在一个联盟中成功操纵四种不同的细菌菌株,使它们的相互作用有益而不是对抗,它们各自的数量在不同的复杂环境中变得更加平衡,包括活老鼠的肠子。

“只要有多个物种共存于同一空间并使用相同的资源,他们就可以互相争斗,因为他们试图成为幸存者,”主要作者Marika Ziesack博士说。 Wyss Institute和HMS的博士后研究员。 “通过推动细菌进行更多互利互动,我们最终可以使整个物种联盟更强大,更有弹性,并且希望有一天我们能够开发最适合人类肠道健康的合成财团以及生物生产中的各种应用。 “

为了使细菌很好地协同工作,研究人员修改了它们的基因组,使每个物种都不能产生操作所需的三种氨基酸,并过量生产第四种氨基酸。因此,如果社区中存在其他三种物种并且产生缺乏氨基酸,则每个物种只能繁荣,这促使细菌采用更生动和逼真的方法。

在物种之间交叉喂养这种代谢物在自然界中是常见的 - 人类不能产生我们维持身体所需的20种氨基酸中的9种,因此我们必须消耗多种饮食来获得这些必需的构建模块。许多细菌也依赖其他物种来制造缺乏制造能力的化合物,这种共同依赖性被认为有助于使细菌聚集体更加多样化,从而帮助它们抵抗任何物种的优势或关键性。失去会员。可能导致财团崩溃。

由团队选择用于制造人工聚生体的四种细菌物种存在于哺乳动物肠道中:大肠杆菌,鼠伤寒沙门氏菌,B.thetaiotaomicron和脆弱拟杆菌。对每种菌株进行遗传修饰以过量产生蛋氨酸,组氨酸,色氨酸或精氨酸,并且消除了其产生其他三种氨基酸的能力。

为了评估每种菌株是否能够“拯救”其过量产生的氨基酸缺陷的其他菌株,研究人员依次分离出每种菌株分泌的化合物,并在这些化合物存在下培养其他菌株。与添加来自非过量产生的菌株的化合物的对照相比,每个过量产生者能够以不同程度拯救其他菌株,这取决于每个菌株生长所需的氨基酸的量。

为了理解四种修饰菌株如何作为一个联合体一起工作,研究人员将它们一起培养,发现它们以大致相同的比例生长,但总数低于同一菌株一起生长的非工程化菌株,表明所有缺乏足够氨基酸的菌株可以从其他菌株中获得以存活和繁殖。研究小组多次重复实验,每次将菌株的初始种群减少十倍,以了解该财团如何对失去一名成员作出反应。他们发现,在非工程菌的聚集体中,被击倒的菌株没有恢复,而在工程生物中,鼠伤寒沙门氏菌和B.theta在击倒后恢复到正常水平。击倒后大肠杆菌和脆弱拟杆菌无法恢复,

敲减实验还揭示了非工程化和工程化复合物中不同菌株之间的关系。在非工程化复合物中,某些菌株的损失导致其他菌株的过度生长,表明这些菌株自然地相互竞争。然而,在工程联盟中,一个物种的击倒并未显着改变其余物种的比例。实际上,脆弱拟杆菌的敲除对鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌具有负面影响,表明脆弱拟杆菌的存在这些物种是有益的。

研究人员还发现,工程菌的聚集体比未经设计的聚生体显示出更大的均匀性 - 每种物种的数量大致相似 - 无论是在体外还是接种到无菌小鼠的肠道中。当细菌在低氨基酸环境中生长时,这种趋势也存在,表明工程菌成功地相互交叉以形成稳定的群落。

“正如在一个复杂的物种网络中所预期的那样,并非所有的细菌菌株都能相互作工程化的大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌似乎与拟杆菌属物种分离而没有提供那么多的益处。其他成员,因此未来的研究可以集中于优化每个物种的过量,以产生其给定的氨基酸和消耗其他物种,以增加财团的整体适用性,而不会影响物种的均匀性,“共同作者Pamela Silver博士说。 Wyss Institute的核心教员还是Elliot T.的生物化学和系统生物学教授以及HMS的Onie H. Adams。