师从诺贝尔物理学奖得主,却跨界破解生物学难题,人体微生物群落研究或迎来突破

师从诺贝尔物理学奖得主,却跨界破解生物学难题,人体微生物群落研究或迎来突破
麻省理工科技评论 2020-11-15

2020-11-15

物理学家将“精确”与“量化”引入生态学研究,有望解决困扰生物学家150多年的难题。
物理学家将“精确”与“量化”引入生态学研究,有望解决困扰生物学家150多年的难题。

在人体肠道内,存在 160 多种、100 万亿个微生物群落。微生物群落发挥作用,是通过多种微生物相互作用实现的。他们不是独立的个体,而是互相配合、互相影响、互相竞争的关系。这种关系复杂而又难以验证,人体内微生物群落的研究难度超出想象。

中国科学院深圳先进技术研究院研究员、博士生导师戴磊就是研究微生物群落的一名生力军。他在本科阶段进入中国科学技术大学学习,之后到麻省理工学院读博,期间,更灵活的思维模式,开阔的眼界,让他决定在物理和生物交叉领域进行一些尝试。回国后,他加入中科院,全心参与到合成微生物组学的研究中。

戴磊对 DeepTech 说:“研究人体内微生物群落之所以困难,有两个重要的原因。一是缺少研究工具,二是缺乏系统生物学思维。”

比如,艰难梭菌是人体内普遍存在的一种细菌,真正对人体产生威胁的不是细菌本身,而是在某些条件下,其释放的毒素。患上艰难梭菌感染(CDI)的病人会出现水样腹泻或腹部绞痛,严重时会脱水乃至威胁生命。而治疗 CDI 常用的抗生素法,会让细菌产生耐药性以至于导致 CDI 复发。

亚洲网根据哈佛医学院的研究显示,20% 接受抗生素治疗的 CDI 病人会复发感染。当前,清除 CDI 的最佳方法就是 FMT,即粪便移植,统计数据显示,针对 CDI 复发患者,FMT 有效性约为 85%-90%。为什么 FMT 作用如此出色,科学家也不太清楚。

戴磊跨界破解生物学难题,人体微生物群落研究或迎来突破

图|人体肠道微生物群落 (来源:东方 IC)

生物学家搞不清楚的事,引起了麻省理工学院(MIT)物理学家的兴趣。杰夫・戈尔(Jeff Gore),也是戴磊的博士导师,他用严谨的物理学方法研究 “生物如何在复杂的社群中生存下去” 这一问题,大大推动了人体微生物群落研究这一领域的进步。

一个悖论和一个笑话

物理学家和生物学家看待问题的角度不同。在他们各自的领域,物理学家会问:“为什么它(物种)存在而不是不存在?” 生物学家会问:“为什么有很多物种而不是少数物种?”

著名英国生态学家 G. Evelyn Hutchinson 在 1960 年的美国自然主义者协会会议上,提出了 “浮游生物悖论(the paradox of the plankton)”。在一瓶海水中,存在着各种浮游生物,他们都在争夺相同的营养元素。根据达尔文的进化论,随着时间的推移,应该只有一种生物会占据生态位,但最后的结果是,竞争物种在生态系统中得以稳定共存,这不合理。

为什么获得优势的物种没有胜过其他所有物种?为什么不存在一种或几种生物,获得竞争优势后驱逐了所有其他的物种?自从达尔文完成《物种起源》,这个问题已经困扰了科学家 150 多年。

同样,在物理学领域,存在这样一个笑话:物理学家可以描述两个或者无限多个元素的系统,但是在 2 与无穷大之间,我们一无所知。通俗的说,物理学家清楚两个原子之间的相互作用;如果是一个房间内的原子,数量趋于无穷大,科学家可以用温度、压强等指标来描述这些原子集合的状态。但如果研究 100 个或者 500 个原子之间是怎样互相作用的,科学家就束手无策了。

一个悖论和一个笑话。其揭示的是同一个问题,即对一个生态系统或微生物系统,科学家难以研究其复杂的中间状态,要么只能对单个、两个元素的系统进行研究,要么对整个系统做出解释。

戈尔的研究极有可能打破这一瓶颈。

在上个世纪 90 年代后期,戈尔还是 MIT 的一名本科生。他与沃尔夫冈・凯特尔(Wolfgang Ketterle)一起开发了一种用于研究玻色 - 爱因斯坦冷凝物的实验仪器,凯特尔于 2001 年获得诺贝尔物理学奖。此后,戈尔进入加州大学伯克利分校学习生物物理学,并以博士后的身份再次回到 MIT,开始他位于物理学 - 生态学边界上的研究。

将 “精确” 与 “量化” 引入生态学研究

在戈尔看来,解释生物如何在复杂的环境中生存,一定存在一个 “大而美的理论”。他注意到,在先前的研究中,理论和测量方法并不能总是得以匹配。这意味着,明确的、清晰的、可复制的侧向方法是缺失的。因此,戈尔将微生物置于严格控制的环境中,并且用最先进的仪器跟踪每个微生物个体的命运,并且严格计数。

从简单到复杂,戈尔设计了一系列实验。

首先是在糖溶液中培养啤酒酵母菌落。这些酵母菌能够将不可食用的糖转化为可食用的糖,因此每个酵母菌都可以从邻近的酵母受益,但逐渐稀释的糖溶液会最终导致酵母菌落饿死。研究人员在数据中捕捉信号,预测酵母菌落会繁衍还是崩溃。

这项研究于 2012 年发表在《科学》杂志上,是戈尔实验室迄今为止被引用最多的论文,其中最有名的是一个分岔图,描绘了决定该生态系统保持稳定或走向崩溃的精确条件。此前,类似的研究大多停留在理论和模拟上。戈尔用实验数据证明了理论的正确性。

既然已经验证了只有一个生物的生态系统,那下一步当然是研究两个生物的系统了。

研究团队接下来从土壤中分离了八种细菌菌株,将它们两两配对并放置于 96 孔板中,观察它们的共存关系。之后这些细菌又被全部混合在一起,因为要从整体上观察它们的相处模式。

举个例子,假设现在有三种细菌 A,B 和 C,我们可以将它们两两配对组合成 AB,BC 和 AC 三组生态系统。如果我们观察到 A 能击败 B(两者合并后 A 成为主导菌),B 能击败 C,那么 A 就有很大机率击败 C。

这符合我们的直觉。实验数据也证实,这个推测的机率是 90% 左右。也就是说,A 更有可能在复杂的 A、B、C 共存的混合环境中生存下去。

三种细菌循环克制

有了前两个实验做铺垫,戈尔希望能进一步拓展研究范围,使实验更贴近现实情况。于是他带领团队在 MIT 校园中挖了一些土壤,拿回实验室分离出了近一千种细菌菌株。

他们希望找到三种细菌相互克制的情况,类似于石头 - 剪刀 - 布的关系,但这种情况在大自然中非常少见。

设计这套实验的部分动机最早可以追溯到上世纪 70 年代。生态学理论学家提出,或许可以利用三个物种的混合竞争创造 “高阶” 稳定状态,防止一个物种大幅超越其他物种,优雅地实现生态系统多样化。

然而由于缺乏实际数据支撑,科学家也不知道看似行得通的理论是否有实际价值。

戴磊跨界破解生物学难题,人体微生物群落研究或迎来突破


图 | 在自然界中,很难找到三个物种相互克制的关系(来源:Lucy Reading-Ikkanda/Samuel Velasco/Quanta Magazine)

在近一千种细菌中,戈尔的研究团队只发现了一套三物种循环克制关系。当他们把这三种细菌和其他 17 种细菌放在一个培养皿中,整个系统遵守的是 A 击败 B,B 击败 C,C 击败 D 的游戏规则。

最终只剩下 3 种细菌,成为了可以共存的优势菌。

这与原本多样化且稳定的土壤菌落环境相去甚远,而且预期的 “三物种循环克制” 并没有发挥太大作用。

戈尔得出结论称,土壤物理基质内环境条件的微小变化可能会稳定自然环境中的微生物多样性。

虽然这只是一个生态系统的工作方式缩影,但仍然是十分宝贵的数据和经验。

人体内的微生态系统

为了将研究成果进一步推广到实际应用中,戈尔团队最近把目光转向了肠道微生物领域。

微生物在大自然中扮演着重要角色,比如土壤里的微生物虽然微不足道,但没有它们就没有茁壮生长的森林和其他植物,也就没有了生态系统最重要的生产者,随之而来的就是生物多样性的崩溃,还会对气候造成巨大影响。

事实上,科学家们也将人体消化系统视为微生态系统。肠道中广泛存在的有益微生物群落可以帮助我们更好地消化食物,吸收营养,甚至是提升免疫力和认知能力。但也存在许多有害的微生物,例如引发腹泻和结肠炎的艰难梭菌。

戴磊跨界破解生物学难题,人体微生物群落研究或迎来突破

图|艰难梭菌 (来源:东方 IC)

针对类似的消化道疾病,有一种治疗方式是粪便菌落移植。医生会通过灌肠或口服胶囊等方式,将处理过的健康人的粪便提取液转移到患者体内,从而重建健康的肠道群落。

戈尔的研究团队希望能有所突破。他们的最新研究指出,当一个新的微生物进入到双微生物共生的生态系统中时,该系统的优势菌种通常会发生变化。这可能是粪便菌落移植能够击败艰难梭菌的原因。

人体内微生物数量过于庞大,作为研究的起点,戈尔看中了生物学家做实验常用的秀丽隐杆线虫。这是一种以细菌为食,通体透明,非常容易培育的优秀实验对象。

他们采用了类似土壤实验的办法,把带有红色和绿色标签(染色)的细菌喂给线虫,然后等一段时间后再将其解剖,以确定肠道中细菌的存活情况。

研究团队进行了 11 种细菌的两两对比,然后再喂给线虫其中的三种。就像土壤实验中揭示的一样,如果 A 能击败 B,B 能击败 C,那么在 A,B,C 共存的环境中,A 在绝大多数情况下都是主导群落。

“尽管外部因素很重要,但细菌两两竞争的胜负情况,很大程度上决定了更复杂微生物系统的主导者,” 戈尔表示,“这对于预测微生物环境的主导菌落很重要。” 当然,人类肠道环境要复杂的多,而且真实情况下还有更多的环境变量,细菌还会分泌改变环境的物质,甚至细菌本身都会发生变化。这些没有纳入考量的因素,都会影响真实世界中微生物菌落的变化。

研究微生物疗法的 MIT 生物学家塔米・利伯曼(Tami Lieberman)认为,想要在实验室中完全复制人体微生物菌落的状态非常困难,但 “这不意味着努力是白费的”。她正与戈尔讨论一项新的合作,以测试和预测人类肠道环境中微生物之间的相互作用。

微生物群落:不止一种研究方法

亚洲网目前,戈尔采用了 “自下而上” 的研究思路,尝试搞清楚每种微生物作用,然后再推广到大范围微生物物种。但当系统发展到一定规模,具备更加复杂的特性时,这种方法的局限性就会显现 —— 构建成千上万物种之间的相互关系异常困难。

波士顿大学的理论物理学家家潘卡吉・梅塔(Pankaj Mehta)表示,虽然戈尔的研究成果令人印象深刻,超出了他的预期,但他对戈尔能走多远持怀疑态度。

他认为,如果预测结果的方法是基于对每个元素的完全掌握,那么当系统变得非常复杂时,就会变得几乎无法预测。

不论评价如何,戈尔等人的研究会坚持下去。他们已经研究了 40 种不同环境下的 20 种土壤细菌,获得了超过 18 万对相互作用关系。初步结果是,一种微生物受益于另一种微生物的相互作用关系比想象中普遍得多。这可能会颠覆科学家对微生物菌落行为的传统认知。

根据戴磊的介绍,针对人体微生物群落的研究,至少存在三个层面的研究思路。第一种是针对基因组表达,研究结构对基因表达的影响,重在理解 3D 结构。第二种称之为调控,比如用噬菌体清除群落内的一种细菌,进行对照研究。第三种就是利用合成生物学的方法,降低复杂度,从人工合成细菌开始,组装一个群落,从 “造物” 的过程中去理解它。

亚洲网不仅仅是在美国,中国的研究人员也在开展人体微生物群落的相关研究。深圳未知君生物科技有限公司创始人谭验对 DeepTech 说:“戈尔采用的方法是‘自下而上’,从菌株开始,现在大量的方法是‘自上而下’,对人群进行队列试验”。未知君则同时开展了 “自上而下” 和 “自下而上” 的研究。他们收集了大量了临床数据,用 “自上而下” 的方法进行分析。同时,也采用合成生物学的方法,敲除细菌的基因,然后为群落建模验证。

人体微生物群落的研究还处在初级阶段,任何一种研究思路都具有重意义。正如戈尔教授所说:“我们现在只是打地基,类似于物理学家理解量子力学和原子的方式,” 它表示,“物理学家试图理解氢的性质,并非因为他们对氢多感兴趣,而是如果我们不了解氢,就不能进一步了解在氢基础上构建的物质。”

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