Nature子刊：7大技術(shù)助力解析微生物組復(fù)雜性

mingxiaozi 2021-02-27

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編者按：

微生物組是一個(gè)復(fù)雜的微生物群落，其中的微生物成員之間存在復(fù)雜的相互作用。為了解析微生物組的復(fù)雜性，當(dāng)前涌現(xiàn)出了越來(lái)越多的新技術(shù)和新手段。

今天，我們特別編譯發(fā)表在 Nature Method 雜志上題為“Engineers embrace microbiome messiness”的文章。希望本文能夠?yàn)橄嚓P(guān)的產(chǎn)業(yè)人士和諸位讀者帶來(lái)一些啟發(fā)和幫助。

復(fù)雜的微生物組

微生物組是活躍的、不斷進(jìn)化的、復(fù)雜的微生物群落，它們?cè)诳臻g上和時(shí)間上都是動(dòng)態(tài)變化的¹。哥倫比亞大學(xué)歐文醫(yī)學(xué)中心的研究員 Harris Wang 說(shuō)，為了應(yīng)對(duì)這種復(fù)雜性，他的實(shí)驗(yàn)室的理念是“坦然接納自然環(huán)境中的混亂”，因?yàn)檫@有助于研發(fā)出能夠適應(yīng)這種復(fù)雜變化的工程技術(shù)。

哈佛大學(xué) Wyss 生物啟發(fā)工程研究所所長(zhǎng) Don Ingber 說(shuō)：“微生物組在健康和疾病中的重要作用已經(jīng)使醫(yī)學(xué)發(fā)生了改變，但是，目前我們對(duì)微生物組功能的所有認(rèn)知都是基于基因組?！?/section>

勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究員 Trent Northen，目前負(fù)責(zé)主持美國(guó)能源部聯(lián)合基因組研究所的幾個(gè)研究項(xiàng)目。Northen 說(shuō)：“大多數(shù)對(duì)于微生物基因功能的認(rèn)知來(lái)自于對(duì)微生物單獨(dú)分離研究，但是，眾所周知，微生物在自然界很少單獨(dú)存在。也許正是因?yàn)檠芯咳藛T對(duì)單一菌株的關(guān)注導(dǎo)致了對(duì)很多微生物基因功能缺乏理解，因此，我們迫切地需要用更生態(tài)學(xué)的方式來(lái)理解群落中工程菌的基因、代謝產(chǎn)物和代謝通路。

微生物組工程可以幫助實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和改進(jìn)他們對(duì)微生物組的理解，它可以幫助我們應(yīng)對(duì)諸如腸易激綜合征（IBS）等情況，提供環(huán)境微生物修復(fù)方案或更好地探尋微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的角色。實(shí)驗(yàn)室雖然不是專業(yè)的微生物組設(shè)計(jì)工作室，但通過(guò)優(yōu)化推進(jìn)建模和探索微生物群落可以使我們朝著這個(gè)目標(biāo)邁進(jìn)?！?/section>

技術(shù)1：建立模擬群落

科羅拉多州立大學(xué)的 Kelly Wrighton 說(shuō)：“我的實(shí)驗(yàn)室是‘生態(tài)系統(tǒng)不可知論派’，目前團(tuán)隊(duì)的主要研究方向是微生物生態(tài)系統(tǒng)，包括土壤環(huán)境、頁(yè)巖環(huán)境以及腸道。通過(guò)追蹤各生態(tài)系統(tǒng)的代謝機(jī)制，尤其是厭氧環(huán)境中的微生物代謝，對(duì)由于物理空間或微生物互作產(chǎn)生的抑制、進(jìn)程及變化作用進(jìn)行探究。現(xiàn)在，實(shí)驗(yàn)室可以通過(guò)對(duì)基因組和菌株的解析來(lái)更好地挖掘微生物群落的代謝潛力?！?nbsp;

他們對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中的微生物所提供的功能進(jìn)行探索挖掘，發(fā)現(xiàn)不只是腸道，在整個(gè)地球中的各生態(tài)系統(tǒng)中，微生物都存在類似的功能特性。

Wrighton 的研究團(tuán)隊(duì)借助合成群落，剖析生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，對(duì)其進(jìn)行跟蹤和監(jiān)測(cè)，并獲得時(shí)間動(dòng)態(tài)解析數(shù)據(jù)。

Wrighton 說(shuō)：“理想情況下，我們能夠?qū)?shí)驗(yàn)獲得的信息在真實(shí)環(huán)境中得到驗(yàn)證。例如，我們目前研究的是地表以下 2500 米的頁(yè)巖油氣井。為了釋放天然氣，高壓將水和化學(xué)物質(zhì)泵入地下。因此，在破裂之前，巖石中幾乎沒(méi)有生命和水，它們是‘古氏巴氏滅菌（paleopasteurized）’過(guò)的。但是壓裂過(guò)程中會(huì)引入可以形成生物膜的微生物，并對(duì)井造成腐蝕性‘酸化’?！彼ㄟ^(guò)研究這些反應(yīng)來(lái)了解微生物組的代謝過(guò)程，同時(shí)也著眼于可能的應(yīng)對(duì)策略。

實(shí)驗(yàn)室模型和代謝分析結(jié)果顯示，在這一深度中，存在著一個(gè)重要的微生物代謝網(wǎng)絡(luò)——氨基酸的協(xié)同發(fā)酵²。例如，在頁(yè)巖油氣井中富含的一種氨基酸衍生物甜菜堿。

而根據(jù)微生物群落中鹽厭氧菌屬（Halanaerobium）、地袍菌屬（Geotoga）和甲烷嗜鹽菌屬（Methanohalophilus）的豐度，可以預(yù)測(cè)這些頁(yè)巖中碳和氮的有效性?；诖耍茖W(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中重建了頁(yè)巖微生物群落的“微觀世界”，可以產(chǎn)生 75%左右自然環(huán)境下循環(huán)的碳和氮。

Wrighton 說(shuō)：“對(duì)我來(lái)說(shuō)，那是我第一次意識(shí)到真實(shí)世界與實(shí)驗(yàn)室之間的關(guān)聯(lián)。”研究人員還對(duì)頁(yè)巖、土壤和人類腸道中的甲胺循環(huán)進(jìn)行了分析。研究小組在頁(yè)巖上的經(jīng)驗(yàn)讓他們以此類推獲得了對(duì)腸道的更多認(rèn)知。

“這不僅僅是建立一個(gè)系統(tǒng)中的某個(gè)代謝網(wǎng)絡(luò)。我們還在研究酶、有機(jī)體以及微生物的互作關(guān)系，以及不同生態(tài)系統(tǒng)中的競(jìng)爭(zhēng)情況?！?Wrighton 說(shuō)。

有時(shí)實(shí)驗(yàn)室結(jié)果并不適用于現(xiàn)實(shí)環(huán)境。Wrighton 說(shuō)：“模擬的土壤微生物甲烷產(chǎn)生過(guò)程在實(shí)驗(yàn)室中可以得到漂亮的結(jié)果。我們通過(guò)基因組分析發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)生甲烷的關(guān)鍵菌株，進(jìn)而我們?cè)趯?shí)地環(huán)境中尋找這些關(guān)鍵菌株，但事實(shí)是，這些菌株并不在土壤中。實(shí)驗(yàn)室建模有助于揭開(kāi)謎底、探究因果關(guān)系、進(jìn)而縮小目標(biāo)范圍，但是實(shí)地應(yīng)用卻是另外一番景象，它給我們提供的是真實(shí)的背景信息。”

圖.在 EcoFABs 中，植物生長(zhǎng)在一個(gè)量身定制的根際微生物群中。

技術(shù)2：EcoFABs系統(tǒng)

Northen 和他的團(tuán)隊(duì)建立的 EcoFABs 系統(tǒng)用于透徹分析已知的微生物生態(tài)系統(tǒng)模型。

（編者注：EcoFABs 由確定的微生物群落結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)室模擬棲息地、培養(yǎng)方法和時(shí)空分析組成。一旦完成模型標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)上傳，就可實(shí)現(xiàn)多實(shí)驗(yàn)室的合作-調(diào)整-機(jī)制研究，為理論學(xué)說(shuō)和預(yù)測(cè)模型的建立提供支持）

EcoFABs 的一項(xiàng)研究案例是關(guān)于根際微生物組的研究。在 3D 打印模具中，用水培養(yǎng)幼苗，并在模具中加入不同的微生物。利用質(zhì)譜等方法來(lái)捕獲根際微生物的代謝與物質(zhì)交換情況。

Northen 說(shuō)：“該系統(tǒng)需確保從無(wú)菌環(huán)境開(kāi)始，以保證研究的準(zhǔn)確性。然后，就可以預(yù)測(cè)代謝物交換，繼續(xù)設(shè)計(jì)以及測(cè)試合成微生物組。目前，EcoFABs 還處于起步階段，但是它能夠作為‘設(shè)計(jì)-建造-測(cè)試-學(xué)習(xí)’迭代循環(huán)的一部分。大規(guī)模的微生物體外代謝物分析將為開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化模型提供數(shù)據(jù)支持?！?/section>

該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃為 EcoFABs 增加單細(xì)胞成像功能，利用多色熒光成像技術(shù)，構(gòu)建報(bào)告因子，并應(yīng)用熒光環(huán)境敏感探針進(jìn)行空間分析，進(jìn)而表征微環(huán)境下的微生物。

Northen 說(shuō)：“這些系統(tǒng)可以幫助解決一系列開(kāi)放性問(wèn)題：植物是否通過(guò)調(diào)節(jié)根際分泌物篩選有益菌？這種篩選過(guò)程是否會(huì)隨著環(huán)境條件改變而改變？如果有，那么這些微生物對(duì)植物的功能是什么？根際微生物之間相互依賴的程度如何?”

Northen 建議在設(shè)計(jì)合成微生物組時(shí)，慎重選擇微生物組組成菌株。如果研究人員是根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)進(jìn)行選擇的，那么他們需要注意這些微生物的親緣關(guān)系。他們也可以根據(jù)微生物的功能來(lái)進(jìn)行選擇。

Northen 表示：“其實(shí)我們對(duì)于土壤微生物群落的思考還很片面。微生物群落如此多樣，實(shí)驗(yàn)室水平上進(jìn)行微生物活動(dòng)和相互作用方面的研究能力還十分有限，尤其是在大規(guī)模研究方面?！?/section>

為了加強(qiáng)合作效果，Northen 希望該研究人員能重點(diǎn)集中研究幾個(gè)具有互補(bǔ)性的實(shí)驗(yàn)室生態(tài)系統(tǒng)，這樣更有利于完善生態(tài)系統(tǒng)模型³。Northen 表示：“這類似于就模式菌株得到一致意見(jiàn)一樣，希望我們這個(gè)模式生態(tài)系統(tǒng)模型進(jìn)度可以更快一點(diǎn)。EcoFABs 指導(dǎo)委員會(huì)（EcoFAB Steering Committee）可以負(fù)責(zé)組織聯(lián)系?！?/section>

技術(shù)3：基因組編輯技術(shù)

加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校 Michelle O’Malley 說(shuō)：“我們進(jìn)入了一個(gè)新奇微觀世界，在那里微生物負(fù)責(zé)很酷的化學(xué)反應(yīng)?！?O’Malley 主要從事厭氧菌研究，包括腸道、垃圾填埋場(chǎng)以及缺氧海洋沉積物的微生物組。

瘤胃就是這樣一種“新奇”的棲息地，山羊吃多吃少都要?dú)w功于瘤胃。瘤胃是反芻動(dòng)物的第一胃，是迄今已知的降解纖維物質(zhì)能力最強(qiáng)的天然厭氧發(fā)酵罐。反芻時(shí)，食糜逆嘔至口腔重新咀嚼。

研究瘤胃微生物組的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)指導(dǎo)著實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建一個(gè)可以處理各種食物的最小微生物生態(tài)系統(tǒng)。為了探究微生物之間的互作，研究人員對(duì)微生物群落中成員的基因組進(jìn)行了編輯，并且探究了微生物豐度和代謝活性的變化。通過(guò)基因編輯技術(shù)，研究人員能夠顯示哪些微生物吃糖、降解纖維、制造短鏈脂肪酸或產(chǎn)生甲烷。

O’Malley 說(shuō)：“在測(cè)試微生物如何互作、碳是如何循環(huán)的以及建模的最佳條件是什么上，仍然存在研究空白。在我看來(lái)，人們現(xiàn)在對(duì)腸道微生物組認(rèn)知大多數(shù)都只是猜測(cè)。應(yīng)進(jìn)行微生物菌株水平研究，而不是在存在冗余的群落水平進(jìn)行研究。盡管我作為一名工程師為此感到掙扎，但冗余的存在對(duì)微生物群落來(lái)說(shuō)是情有可原的，功能性冗余將有助于微生物從群落失調(diào)中恢復(fù)平衡?！?/section>

O’Malley 的實(shí)驗(yàn)室利用基因組編輯工具來(lái)控制微生物群落中的不同成員，但是她發(fā)現(xiàn) CRISPR-Cas 基因編輯技術(shù)并不能對(duì)所有微生物產(chǎn)生同樣的效果。該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了改造微生物組環(huán)境的“塑造微生物群落（sculpt microbiomes）”法（如通過(guò)限制營(yíng)養(yǎng)或僅促進(jìn)某些成員的生長(zhǎng)）。

O’Malley 實(shí)驗(yàn)室使用的工具技術(shù)從 1950 年代的培養(yǎng)基富集法（特定培養(yǎng)基用于促進(jìn)某些特定微生物生長(zhǎng)）到新興技術(shù)（如 RNA 測(cè)序，基因編輯、從頭組裝、代謝分析和建模），應(yīng)有盡有。

許多微生物組研究實(shí)驗(yàn)室只專注于細(xì)菌，但 O’Malley 認(rèn)為這存在偏好風(fēng)險(xiǎn)，她說(shuō)：“DNA 提取會(huì)使捕獲到的基因特征產(chǎn)生偏差，因?yàn)橛行┓椒ǜm用于細(xì)菌，而有些方法則更適用于真菌或古菌。實(shí)際上，單就樣品收集、樣本制備以及樣品穩(wěn)定性，我們就會(huì)進(jìn)行大量的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，以便我們能夠獲得最真實(shí)的信息，知道究竟存在哪些微生物。”

正是這種觀點(diǎn)幫助研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，由于厭氧真菌的影響，食草動(dòng)物比其他任何被測(cè)序的生物擁有更多的降解酶⁴。這個(gè)結(jié)果是令人驚訝的。瘤胃中的真菌通常被視為病原體或者由于采樣偏差而被忽略，研究人員通常將草食性動(dòng)物瘤胃液作為樣品，其中富含細(xì)菌，但也含有少量的真菌。

O’Malley 表示，這些真菌主要與食物顆粒有關(guān)，通常在樣品制備階段被丟棄。正在進(jìn)行的一項(xiàng)使用纖維類食物喂養(yǎng)靈長(zhǎng)動(dòng)物（包括黑猩猩和大猩猩）的研究表明，它們?cè)谙乐杏胸S富的真菌，這一發(fā)現(xiàn)為人類腸道研究提供了靈感。

圖.在腸道微芯片中，人類的腸道微生物群與腸道細(xì)胞直接接觸。

技術(shù)4：腸道模型微芯片

Ingber 和他的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明構(gòu)建了一套可以進(jìn)行腸道上皮細(xì)胞體外培養(yǎng)的設(shè)備，該模擬腸道具有腸道上皮細(xì)胞，細(xì)胞外有液體流動(dòng)（模擬腸道生理環(huán)境），并且具有腸道蠕動(dòng)的特性。

Ingber 說(shuō)：“我們課題組對(duì)該模型進(jìn)行了進(jìn)一步升級(jí)，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室可以用該模型研究與人類腸道細(xì)胞及其上層粘液直接接觸的復(fù)雜人類腸道微生物組⁵。

在人體腸道中，含氧的血液流經(jīng)毛細(xì)血管，當(dāng)穿過(guò)腸道上皮細(xì)胞組織界面進(jìn)入內(nèi)腔時(shí)，氧氣的濃度會(huì)逐漸降低。因此，該模型具有兩個(gè)通道，一條通道含氧，另一條則不含氧氣。這種腸道模型微芯片可以維持一個(gè)超過(guò) 200 種細(xì)菌的復(fù)雜人類腸道微生物組，其中包含厭氧菌和需氧菌?！?/section>

Ingber 和他的團(tuán)隊(duì)還模擬對(duì)比了人和小鼠對(duì)腸出血性大腸桿菌的感染敏感性差異，發(fā)現(xiàn)這很大程度上取決于腸道微生物代謝產(chǎn)物。

Ingber 說(shuō)：“類器官對(duì)于研究細(xì)胞分化和基礎(chǔ)細(xì)胞生物學(xué)問(wèn)題確實(shí)是很有價(jià)值的，但是它們往往是組織，而我們的模型更像是芯片器官，可以進(jìn)入腸腔和毛細(xì)血管腔。類器官是封閉的球體。因此，你無(wú)法控制其中的條件，而這些漏洞終將會(huì)置人于死地?！?/section>

幾年前，他著手構(gòu)建一種腸道芯片，以探索在受控條件下人類宿主-微生物組間的相互作用。正常的人類腸道微生物組包括許多專性厭氧菌和需氧菌，這使得在實(shí)驗(yàn)上極具挑戰(zhàn)性：需氧菌不喜歡低濃度氧氣環(huán)境，反之亦然，而且非常低的氧氣濃度會(huì)殺死人類細(xì)胞。Ingber 說(shuō)：“這就是問(wèn)題所在。”

哥倫比亞大學(xué)的 Wang 評(píng)論該系統(tǒng)說(shuō)：“這是一種非常優(yōu)雅的研究微生物組的方式。但仍然缺少某些組分，例如免疫系統(tǒng)。”

Northen 說(shuō)：“我對(duì)這些類型的設(shè)備十分感興趣，但是空談不如實(shí)踐，有影響力的研究才會(huì)被廣泛接受。要推進(jìn)此類工作，需要廣泛的專業(yè)知識(shí)，如材料科學(xué)家、專注于微流控技術(shù)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的專業(yè)人員?！?/section>

Wang 說(shuō)：“合成微生物群落存在的一個(gè)普遍性問(wèn)題是，它們?cè)趶?fù)雜的環(huán)境中并不總是保持穩(wěn)定。這些設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)對(duì)于理解微生物相互作用背后的調(diào)控機(jī)制以及關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素意義非凡。

實(shí)驗(yàn)室可以利用它們來(lái)關(guān)注某些微生物的相互作用，不僅可以定性甚至可以進(jìn)行定量研究。例如，特定環(huán)境中用于追蹤代謝產(chǎn)物的研究系統(tǒng)。不過(guò)，如何推廣到混亂的實(shí)際環(huán)境中是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，正如很難將一種被充分研究過(guò)的掠食者-獵物的關(guān)系推廣到叢林生態(tài)系統(tǒng)一樣?！?/section>

技術(shù)5：REXER技術(shù)

Ingber 對(duì)新合成的大腸桿菌菌株很感興趣，他說(shuō)：“我們的模型可以用來(lái)推進(jìn)這項(xiàng)工作?！边@些新合成的大腸桿菌菌株是大腸桿菌 Syn61 的變種，是由在英國(guó)醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室 Jason Chin 的實(shí)驗(yàn)室合成的⁶。該研究小組利用 REXER 技術(shù)重建了大腸桿菌基因組（400 萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)）。

DNA 通過(guò)化學(xué)方法合成，然后進(jìn)行組裝，接著被運(yùn)送到細(xì)菌中。研究小組將大腸桿菌的氨基酸遺傳密碼子數(shù)量從 64 個(gè)減少了到 61 個(gè)；兩個(gè)絲氨酸密碼子和一個(gè)終止密碼子被替換。這是一種幫助合成生物學(xué)家構(gòu)建生物體的方法，并非通過(guò)基因編輯就能輕易完成。

正如研究人員 Benjamin Blunt 和 Tom Ellis 在 News and Views 中所指出的那樣，這種大腸桿菌基因編碼的合成與還原代表著“新檔案（new records）”產(chǎn)生，類似的項(xiàng)目也在開(kāi)展階段。

他們說(shuō)：“基因組最小化和密碼子減少只是這項(xiàng)新技術(shù)的首次應(yīng)用，有朝一日，這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)為我們提供功能重組基因組和經(jīng)特異修飾過(guò)的用于進(jìn)行特定研究的基因組。”

正如 Chin 解釋的那樣：“除了編輯單個(gè)基因組，實(shí)驗(yàn)室還可以使用這種方法來(lái)綜合設(shè)計(jì)進(jìn)化微生物群落。將不同程度遺傳密碼子減少的生物體組裝成目標(biāo)微生物群落，利用密碼子優(yōu)化限制微生物群落中生物體之間的基因水平轉(zhuǎn)移。”

技術(shù)6：進(jìn)化理論

麻省理工學(xué)院（MIT）研究員 Tami Lieberman 在她微生物組的研究工作中應(yīng)用了進(jìn)化方面的知識(shí)，她利用微生物累積的突變來(lái)預(yù)測(cè)評(píng)估細(xì)菌的個(gè)體進(jìn)化自然史。

Tami Lieberman 說(shuō)：“基因適應(yīng)性突變和相關(guān)的反應(yīng)通路暗示了對(duì)細(xì)菌生存而言的最大挑戰(zhàn)，并指引我們?nèi)绾胃玫叵蛘咴黾舆@些細(xì)菌生存阻力。由于低頻突變很難通過(guò)短讀測(cè)序和組裝捕獲，我們實(shí)驗(yàn)室分開(kāi)培養(yǎng)了特定的需氧菌株和厭氧菌株。這種培養(yǎng)方式避免了微生物競(jìng)爭(zhēng)的同時(shí)又能反映體內(nèi)環(huán)境中的多樣性。”研究小組對(duì)許多單一菌落的基因組進(jìn)行了高通量測(cè)序，這些細(xì)菌來(lái)自腫瘤、糞便或皮膚。

Lieberman 實(shí)驗(yàn)室正在研究的項(xiàng)目之一是濕疹患者皮膚上金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的進(jìn)化過(guò)程。金黃色葡萄球菌可能不是真正的致病原因，但是降低金黃色葡萄球菌水平可能會(huì)緩解病情。

Lieberman 說(shuō)：“除非出現(xiàn)大的干擾因素，如抗生素，否則個(gè)體中的微生物群落通常會(huì)保持在穩(wěn)定狀態(tài)。盡管大量暴露于環(huán)境中，但個(gè)體微生物群落似乎能夠抵御這些外部壓力。不過(guò)也可能存在其他可能性?！?/section>

Lieberman 的實(shí)驗(yàn)室對(duì)健康個(gè)體腸道中的脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）進(jìn)行了為期 18 個(gè)月的追蹤。Lieberman 說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)，脆弱擬桿菌的功能性上存在一定的多樣性，兩種功能不同的脆弱擬桿菌可以共存?！?/section>

O’Malley 說(shuō)：“簡(jiǎn)而言之，微生物組工程師們應(yīng)該在他們的工作中考慮到進(jìn)化因素。在微生物群落中，非常相似的成員可能會(huì)突然分化?！?/section>

O’Malley 和她的團(tuán)隊(duì)致力于觸發(fā)此類事件，其中可能涉及基因水平轉(zhuǎn)移，使得微生物具有競(jìng)爭(zhēng)性或者適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)。她說(shuō)：“如果能找到將其用于工程應(yīng)用的方法，那將非常酷。”Wang 的實(shí)驗(yàn)室正是在進(jìn)行此類工作。

圖. 哥倫比亞大學(xué) Wang 實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種名為“MAGIC”的方法。

技術(shù)7：移動(dòng)基因組MAGIC法

Wang 說(shuō)：“雖然我們可以通過(guò)復(fù)雜的方式對(duì)微生物組進(jìn)行分析，但缺乏操縱微生物組的工具?！彼退膱F(tuán)隊(duì)構(gòu)建了可應(yīng)用于不同微生物組的通用方法，并希望它們能夠成為“可被推廣的種群規(guī)模的工程技術(shù)”。

該方法名為 MAGIC，通過(guò)操縱移動(dòng)基因元件在腸道中直接改變菌群⁷。具體地，利用大腸桿菌等菌株作為供體細(xì)菌，通過(guò)廣譜細(xì)菌接合將模塊化移動(dòng)質(zhì)粒（pGT）等基因操作元件轉(zhuǎn)移入腸道菌群。

Wang 說(shuō)：“MAGIC 技術(shù)是用于研究混亂復(fù)雜的體內(nèi)環(huán)境的工具之一，也是應(yīng)對(duì)此類問(wèn)題的工具庫(kù)建立的開(kāi)始。”Wang 實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員 Carlotta Ronda 在與 Wang 一起接受采訪時(shí)表示：“我們目前將該方法應(yīng)用在腸道微生物組的研究中，但也可用于皮膚或者其它任何生境的微生物組?！?/section>

MAGIC 能夠?qū)σ粋€(gè)系統(tǒng)的組件去復(fù)雜化，進(jìn)而獲得對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)認(rèn)知。研究團(tuán)隊(duì)利用了細(xì)菌之間遺傳共享的特性（如，通過(guò)交換質(zhì)?；蜻z傳元件）。

Wang 說(shuō)：“人們對(duì)這種特性的理解相當(dāng)透徹，但并不了解它的應(yīng)用范圍?；蚪M分析揭示了基因的來(lái)源，這使基因組分析帶有‘基因組考古學(xué)’的意味。共享元件只有在傳遞了優(yōu)勢(shì)時(shí)才會(huì)保留。例如，海洋細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移到人體微生物群解釋了為什么某些日本人可以消化原本無(wú)法消化的海藻多糖。

基因水平轉(zhuǎn)移沒(méi)有那么常見(jiàn)，但仍不容忽視，特別是當(dāng)涉及抗菌素耐藥基因時(shí)。我們希望通過(guò)追蹤轉(zhuǎn)移事件發(fā)生網(wǎng)絡(luò)，找到一種能夠在‘友好接收者’中激活所需元件的方法?！?/section>

Ronda 表示，實(shí)驗(yàn)室將繼續(xù)優(yōu)化 MAGIC 技術(shù)。載體需要具有穩(wěn)定、可再編輯的特點(diǎn)。在嘗試這種方法時(shí)，考慮到甲基化和調(diào)控元件會(huì)影響水平基因轉(zhuǎn)移，實(shí)驗(yàn)室需要選擇合適的質(zhì)粒，以便他們可以針對(duì)特定目的調(diào)節(jié)構(gòu)建體。

Wang 說(shuō)：“某種程度上來(lái)說(shuō)，這些移動(dòng)的遺傳元件是自私的。它們?cè)噲D盡可能多地在生物中繁殖。如果能將其應(yīng)用于合成生物學(xué)，那便會(huì)成為一種不依賴單一載體就能植入新功能的方法。而且這些目的元件很有可能會(huì)被保留在整個(gè)群落中?！?nbsp;

Wang 和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建立了一個(gè)合成生態(tài)系統(tǒng)，在這一系統(tǒng)中，必需的代謝產(chǎn)物——氨基酸——被“交易”。

Wang 說(shuō)：“通過(guò)借鑒生物經(jīng)濟(jì)模型和‘微生物貿(mào)易’理論，可以定量地對(duì)物質(zhì)交換相關(guān)的能量損失進(jìn)行建模。但是將其擴(kuò)展到具有空間異質(zhì)性、時(shí)間可變性和環(huán)境波動(dòng)的大型復(fù)雜群落卻是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。工程微生物組意味著所設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要既堅(jiān)固又穩(wěn)定。當(dāng)這些條件無(wú)法保證時(shí)，模型就需要重新設(shè)計(jì)?！?/section>

Ronda 說(shuō)：“實(shí)驗(yàn)室剛剛開(kāi)始研究自然的代謝能力，這可能會(huì)給發(fā)酵和可持續(xù)生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)新思路?！?/section>

另外，Wang 的課題組還在研究自然條件下基因水平轉(zhuǎn)移的概率⁸。Wang 說(shuō)：“我們借鑒了 CRISPR-Cas 間隔子（spacer）獲取過(guò)程，該過(guò)程充當(dāng) DNA 記錄器。當(dāng)具備這種記錄能力的菌株存在于微生物樣品中時(shí)，入侵生物體的片段就會(huì)被其捕獲并作為‘間隔子’整合到 CRISPR 序列中。而這些間隔子是具有保護(hù)性的，被轉(zhuǎn)錄后，它們成為細(xì)菌免疫系統(tǒng)的一部分。間隔子可以被測(cè)序以識(shí)別入侵生物體。

這給予了研究人員靈感：將具有這種記錄能力的菌株置于復(fù)雜的環(huán)境中，在該環(huán)境中，它將在其序列中記錄轟擊它的 DNA。利用這種方法，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中哪些微生物正在積極共享遺傳信息，進(jìn)而幫助實(shí)驗(yàn)室找到新型載體。具有記錄能力的菌株可能是一個(gè)專用的基因轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，能夠跟蹤基因在不同生物體中的位置。”

共同啃下硬骨頭

這是一個(gè)令人感到頭痛的問(wèn)題：對(duì)復(fù)雜的微生物系統(tǒng)進(jìn)行建模是十分困難的，但是如果沒(méi)有模型，研究就變得很困難。

Northen 認(rèn)為對(duì)“微生物群落的最佳猜測(cè)”涉及到循環(huán)往復(fù)驗(yàn)證整個(gè)模型的建立過(guò)程（構(gòu)建-測(cè)試-發(fā)現(xiàn)漏洞-思考改進(jìn)-建立新群落）。

他說(shuō)：“研究同一系統(tǒng)的越多，專業(yè)研究的多樣性越多，我們對(duì)其認(rèn)知就會(huì)越快。模型構(gòu)建者需要明確他們的目標(biāo)以及他們系統(tǒng)的適用范圍。我們正在建立‘模式’生態(tài)系統(tǒng)，而不是‘自然’生態(tài)系統(tǒng)。這些模型必須具有可控制性和可重復(fù)性，這樣科學(xué)家們才能夠有效地確定因果機(jī)制，從而得出觀點(diǎn)和適用模型。另外，模型的有效性和普遍性必須在自然生態(tài)系統(tǒng)中建立?！?/section>

在比較實(shí)驗(yàn)室之間的工程微生物組時(shí)，‘天然’系統(tǒng)可以作為基準(zhǔn)。那么，具體應(yīng)該如何選擇最靠譜的模型呢？Ingber 說(shuō)：“這很簡(jiǎn)單，誰(shuí)能更好地模仿人體生理學(xué)和臨床結(jié)果，誰(shuí)就可以取勝?！?/section>

O’Malley 說(shuō)：“有很多可以向大自然學(xué)習(xí)的東西。工程師傾向于過(guò)度簡(jiǎn)化模型系統(tǒng)，這可能不利于我們進(jìn)行微生物組工程設(shè)計(jì)。我們需要思考的遠(yuǎn)比我們現(xiàn)在做的復(fù)雜得多?！?/section>

為了應(yīng)對(duì)微生物組的復(fù)雜性，微生物組研究人員需要開(kāi)放合作。

Ronda 說(shuō)：“研究不同微生物組的實(shí)驗(yàn)室使用的研究方法不同，但都存在共同之處。微生物組學(xué)工程方法需要被推廣，進(jìn)而可以應(yīng)用于土壤、植物根際、腸道等微生物組中。不同領(lǐng)域之間其實(shí)存在著很多共通之處?！?/section>

在 Wrighton 的合作項(xiàng)目中， Wrighton 發(fā)現(xiàn)了共通的模式、共同的問(wèn)題以及共享的資源。她說(shuō)：“現(xiàn)在，這個(gè)領(lǐng)域是開(kāi)放的。”

參考文獻(xiàn)：

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原文鏈接：https://www./articles/s41592-019-0460-5

作者｜Vivien Marx

編譯｜張硯寧

審校｜617

編輯｜晴晴大人

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來(lái)自： mingxiaozi > 《現(xiàn)代醫(yī)學(xué)》

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