在人體腸道內(nèi)，存在 160 多種、100 萬億個微生物群落。微生物群落發(fā)揮作用，是通過多種微生物相互作用實現(xiàn)的。他們不是獨立的個體，而是互相配合、互相影響、互相競爭的關(guān)系。這種關(guān)系復(fù)雜而又難以驗證，人體內(nèi)微生物群落的研究難度超出想象。

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院研究員、博士生導(dǎo)師戴磊就是研究微生物群落的一名生力軍。他在本科階段進入中國科學技術(shù)大學學習，之后到麻省理工學院讀博，期間，更靈活的思維模式，開闊的眼界，讓他決定在物理和生物交叉領(lǐng)域進行一些嘗試?；貒?，他加入中科院，全心參與到合成微生物組學的研究中。

戴磊對 DeepTech 說：“研究人體內(nèi)微生物群落之所以困難，有兩個重要的原因。一是缺少研究工具，二是缺乏系統(tǒng)生物學思維。”

比如，艱難梭菌是人體內(nèi)普遍存在的一種細菌，真正對人體產(chǎn)生威脅的不是細菌本身，而是在某些條件下，其釋放的毒素。患上艱難梭菌感染（CDI）的病人會出現(xiàn)水樣腹瀉或腹部絞痛，嚴重時會脫水乃至威脅生命。而治療 CDI 常用的抗生素法，會讓細菌產(chǎn)生耐藥性以至于導(dǎo)致 CDI 復(fù)發(fā)。

根據(jù)哈佛醫(yī)學院的研究顯示，20% 接受抗生素治療的 CDI 病人會復(fù)發(fā)感染。當前，清除 CDI 的最佳方法就是 FMT，即糞便移植，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，針對 CDI 復(fù)發(fā)患者，F(xiàn)MT 有效性約為 85%-90%。為什么 FMT 作用如此出色，科學家也不太清楚。

圖｜人體腸道微生物群落 （來源：東方 IC）

生物學家搞不清楚的事，引起了麻省理工學院（MIT）物理學家的興趣。杰夫?戈爾（Jeff Gore），也是戴磊的博士導(dǎo)師，他用嚴謹?shù)奈锢韺W方法研究 “生物如何在復(fù)雜的社群中生存下去” 這一問題，大大推動了人體微生物群落研究這一領(lǐng)域的進步。

一個悖論和一個笑話

物理學家和生物學家看待問題的角度不同。在他們各自的領(lǐng)域，物理學家會問：“為什么它（物種）存在而不是不存在？” 生物學家會問：“為什么有很多物種而不是少數(shù)物種？”

著名英國生態(tài)學家 G. Evelyn Hutchinson 在 1960 年的美國自然主義者協(xié)會會議上，提出了 “浮游生物悖論（the paradox of the plankton）”。在一瓶海水中，存在著各種浮游生物，他們都在爭奪相同的營養(yǎng)元素。根據(jù)達爾文的進化論，隨著時間的推移，應(yīng)該只有一種生物會占據(jù)生態(tài)位，但最后的結(jié)果是，競爭物種在生態(tài)系統(tǒng)中得以穩(wěn)定共存，這不合理。

為什么獲得優(yōu)勢的物種沒有勝過其他所有物種？為什么不存在一種或幾種生物，獲得競爭優(yōu)勢后驅(qū)逐了所有其他的物種？自從達爾文完成《物種起源》，這個問題已經(jīng)困擾了科學家 150 多年。

同樣，在物理學領(lǐng)域，存在這樣一個笑話：物理學家可以描述兩個或者無限多個元素的系統(tǒng)，但是在 2 與無窮大之間，我們一無所知。通俗的說，物理學家清楚兩個原子之間的相互作用；如果是一個房間內(nèi)的原子，數(shù)量趨于無窮大，科學家可以用溫度、壓強等指標來描述這些原子集合的狀態(tài)。但如果研究 100 個或者 500 個原子之間是怎樣互相作用的，科學家就束手無策了。

一個悖論和一個笑話。其揭示的是同一個問題，即對一個生態(tài)系統(tǒng)或微生物系統(tǒng)，科學家難以研究其復(fù)雜的中間狀態(tài)，要么只能對單個、兩個元素的系統(tǒng)進行研究，要么對整個系統(tǒng)做出解釋。

戈爾的研究極有可能打破這一瓶頸。

在上個世紀 90 年代后期，戈爾還是 MIT 的一名本科生。他與沃爾夫?qū)?凱特爾（Wolfgang Ketterle）一起開發(fā)了一種用于研究玻色 – 愛因斯坦冷凝物的實驗儀器，凱特爾于 2001 年獲得諾貝爾物理學獎。此后，戈爾進入加州大學伯克利分校學習生物物理學，并以博士后的身份再次回到 MIT，開始他位于物理學 – 生態(tài)學邊界上的研究。

將 “精確” 與 “量化” 引入生態(tài)學研究

在戈爾看來，解釋生物如何在復(fù)雜的環(huán)境中生存，一定存在一個 “大而美的理論”。他注意到，在先前的研究中，理論和測量方法并不能總是得以匹配。這意味著，明確的、清晰的、可復(fù)制的側(cè)向方法是缺失的。因此，戈爾將微生物置于嚴格控制的環(huán)境中，并且用最先進的儀器跟蹤每個微生物個體的命運，并且嚴格計數(shù)。

從簡單到復(fù)雜，戈爾設(shè)計了一系列實驗。

首先是在糖溶液中培養(yǎng)啤酒酵母菌落。這些酵母菌能夠?qū)⒉豢墒秤玫奶寝D(zhuǎn)化為可食用的糖，因此每個酵母菌都可以從鄰近的酵母受益，但逐漸稀釋的糖溶液會最終導(dǎo)致酵母菌落餓死。研究人員在數(shù)據(jù)中捕捉信號，預(yù)測酵母菌落會繁衍還是崩潰。

這項研究于 2012 年發(fā)表在《科學》雜志上，是戈爾實驗室迄今為止被引用最多的論文，其中最有名的是一個分岔圖，描繪了決定該生態(tài)系統(tǒng)保持穩(wěn)定或走向崩潰的精確條件。此前，類似的研究大多停留在理論和模擬上。戈爾用實驗數(shù)據(jù)證明了理論的正確性。

既然已經(jīng)驗證了只有一個生物的生態(tài)系統(tǒng)，那下一步當然是研究兩個生物的系統(tǒng)了。

研究團隊接下來從土壤中分離了八種細菌菌株，將它們兩兩配對并放置于 96 孔板中，觀察它們的共存關(guān)系。之后這些細菌又被全部混合在一起，因為要從整體上觀察它們的相處模式。

舉個例子，假設(shè)現(xiàn)在有三種細菌 A，B 和 C，我們可以將它們兩兩配對組合成 AB，BC 和 AC 三組生態(tài)系統(tǒng)。如果我們觀察到 A 能擊敗 B（兩者合并后 A 成為主導(dǎo)菌），B 能擊敗 C，那么 A 就有很大機率擊敗 C。

這符合我們的直覺。實驗數(shù)據(jù)也證實，這個推測的機率是 90% 左右。也就是說，A 更有可能在復(fù)雜的 A、B、C 共存的混合環(huán)境中生存下去。

三種細菌循環(huán)克制

有了前兩個實驗做鋪墊，戈爾希望能進一步拓展研究范圍，使實驗更貼近現(xiàn)實情況。于是他帶領(lǐng)團隊在 MIT 校園中挖了一些土壤，拿回實驗室分離出了近一千種細菌菌株。

他們希望找到三種細菌相互克制的情況，類似于石頭 – 剪刀 – 布的關(guān)系，但這種情況在大自然中非常少見。

設(shè)計這套實驗的部分動機最早可以追溯到上世紀 70 年代。生態(tài)學理論學家提出，或許可以利用三個物種的混合競爭創(chuàng)造 “高階” 穩(wěn)定狀態(tài)，防止一個物種大幅超越其他物種，優(yōu)雅地實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)多樣化。

然而由于缺乏實際數(shù)據(jù)支撐，科學家也不知道看似行得通的理論是否有實際價值。

圖 | 在自然界中，很難找到三個物種相互克制的關(guān)系（來源：Lucy Reading-Ikkanda/Samuel Velasco/Quanta Magazine）

在近一千種細菌中，戈爾的研究團隊只發(fā)現(xiàn)了一套三物種循環(huán)克制關(guān)系。當他們把這三種細菌和其他 17 種細菌放在一個培養(yǎng)皿中，整個系統(tǒng)遵守的是 A 擊敗 B，B 擊敗 C，C 擊敗 D 的游戲規(guī)則。

最終只剩下 3 種細菌，成為了可以共存的優(yōu)勢菌。

這與原本多樣化且穩(wěn)定的土壤菌落環(huán)境相去甚遠，而且預(yù)期的 “三物種循環(huán)克制” 并沒有發(fā)揮太大作用。

戈爾得出結(jié)論稱，土壤物理基質(zhì)內(nèi)環(huán)境條件的微小變化可能會穩(wěn)定自然環(huán)境中的微生物多樣性。

雖然這只是一個生態(tài)系統(tǒng)的工作方式縮影，但仍然是十分寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。

人體內(nèi)的微生態(tài)系統(tǒng)

為了將研究成果進一步推廣到實際應(yīng)用中，戈爾團隊最近把目光轉(zhuǎn)向了腸道微生物領(lǐng)域。

微生物在大自然中扮演著重要角色，比如土壤里的微生物雖然微不足道，但沒有它們就沒有茁壯生長的森林和其他植物，也就沒有了生態(tài)系統(tǒng)最重要的生產(chǎn)者，隨之而來的就是生物多樣性的崩潰，還會對氣候造成巨大影響。

事實上，科學家們也將人體消化系統(tǒng)視為微生態(tài)系統(tǒng)。腸道中廣泛存在的有益微生物群落可以幫助我們更好地消化食物，吸收營養(yǎng)，甚至是提升免疫力和認知能力。但也存在許多有害的微生物，例如引發(fā)腹瀉和結(jié)腸炎的艱難梭菌。

圖｜艱難梭菌 （來源：東方 IC）

針對類似的消化道疾病，有一種治療方式是糞便菌落移植。醫(yī)生會通過灌腸或口服膠囊等方式，將處理過的健康人的糞便提取液轉(zhuǎn)移到患者體內(nèi)，從而重建健康的腸道群落。

戈爾的研究團隊希望能有所突破。他們的最新研究指出，當一個新的微生物進入到雙微生物共生的生態(tài)系統(tǒng)中時，該系統(tǒng)的優(yōu)勢菌種通常會發(fā)生變化。這可能是糞便菌落移植能夠擊敗艱難梭菌的原因。

人體內(nèi)微生物數(shù)量過于龐大，作為研究的起點，戈爾看中了生物學家做實驗常用的秀麗隱桿線蟲。這是一種以細菌為食，通體透明，非常容易培育的優(yōu)秀實驗對象。

他們采用了類似土壤實驗的辦法，把帶有紅色和綠色標簽（染色）的細菌喂給線蟲，然后等一段時間后再將其解剖，以確定腸道中細菌的存活情況。

研究團隊進行了 11 種細菌的兩兩對比，然后再喂給線蟲其中的三種。就像土壤實驗中揭示的一樣，如果 A 能擊敗 B，B 能擊敗 C，那么在 A，B，C 共存的環(huán)境中，A 在絕大多數(shù)情況下都是主導(dǎo)群落。

“盡管外部因素很重要，但細菌兩兩競爭的勝負情況，很大程度上決定了更復(fù)雜微生物系統(tǒng)的主導(dǎo)者，” 戈爾表示，“這對于預(yù)測微生物環(huán)境的主導(dǎo)菌落很重要?！?當然，人類腸道環(huán)境要復(fù)雜的多，而且真實情況下還有更多的環(huán)境變量，細菌還會分泌改變環(huán)境的物質(zhì)，甚至細菌本身都會發(fā)生變化。這些沒有納入考量的因素，都會影響真實世界中微生物菌落的變化。

研究微生物療法的 MIT 生物學家塔米?利伯曼（Tami Lieberman）認為，想要在實驗室中完全復(fù)制人體微生物菌落的狀態(tài)非常困難，但 “這不意味著努力是白費的”。她正與戈爾討論一項新的合作，以測試和預(yù)測人類腸道環(huán)境中微生物之間的相互作用。

微生物群落：不止一種研究方法

目前，戈爾采用了 “自下而上” 的研究思路，嘗試搞清楚每種微生物作用，然后再推廣到大范圍微生物物種。但當系統(tǒng)發(fā)展到一定規(guī)模，具備更加復(fù)雜的特性時，這種方法的局限性就會顯現(xiàn) ——?構(gòu)建成千上萬物種之間的相互關(guān)系異常困難。

波士頓大學的理論物理學家家潘卡吉?梅塔（Pankaj Mehta）表示，雖然戈爾的研究成果令人印象深刻，超出了他的預(yù)期，但他對戈爾能走多遠持懷疑態(tài)度。

他認為，如果預(yù)測結(jié)果的方法是基于對每個元素的完全掌握，那么當系統(tǒng)變得非常復(fù)雜時，就會變得幾乎無法預(yù)測。

不論評價如何，戈爾等人的研究會堅持下去。他們已經(jīng)研究了 40 種不同環(huán)境下的 20 種土壤細菌，獲得了超過 18 萬對相互作用關(guān)系。初步結(jié)果是，一種微生物受益于另一種微生物的相互作用關(guān)系比想象中普遍得多。這可能會顛覆科學家對微生物菌落行為的傳統(tǒng)認知。

根據(jù)戴磊的介紹，針對人體微生物群落的研究，至少存在三個層面的研究思路。第一種是針對基因組表達，研究結(jié)構(gòu)對基因表達的影響，重在理解 3D 結(jié)構(gòu)。第二種稱之為調(diào)控，比如用噬菌體清除群落內(nèi)的一種細菌，進行對照研究。第三種就是利用合成生物學的方法，降低復(fù)雜度，從人工合成細菌開始，組裝一個群落，從 “造物” 的過程中去理解它。

不僅僅是在美國，中國的研究人員也在開展人體微生物群落的相關(guān)研究。深圳未知君生物科技有限公司創(chuàng)始人譚驗對 DeepTech 說：“戈爾采用的方法是‘自下而上’，從菌株開始，現(xiàn)在大量的方法是‘自上而下’，對人群進行隊列試驗”。未知君則同時開展了 “自上而下” 和 “自下而上” 的研究。他們收集了大量了臨床數(shù)據(jù)，用 “自上而下” 的方法進行分析。同時，也采用合成生物學的方法，敲除細菌的基因，然后為群落建模驗證。

人體微生物群落的研究還處在初級階段，任何一種研究思路都具有重意義。正如戈爾教授所說：“我們現(xiàn)在只是打地基，類似于物理學家理解量子力學和原子的方式，” 它表示，“物理學家試圖理解氫的性質(zhì)，并非因為他們對氫多感興趣，而是如果我們不了解氫，就不能進一步了解在氫基礎(chǔ)上構(gòu)建的物質(zhì)。”

來源：麻省理工科技評論