來自三個機構(gòu)的研究團隊(包括伍茲霍爾的海洋生物實驗室(MBL)，劍橋的福賽思研究所和圣路易斯的華盛頓大學)共同努力，提供了一個關(guān)于腸道中微生物群落如何統(tǒng)一的早期一瞥腸道微生物組 - 在空間上有組織，揭示不同細菌成員之間令人驚訝的混合程度。

這項研究將發(fā)表在10月13日出版的“美國國家科學院院刊”(PNAS)上，該研究首次研究了多種腸道微生物的三維結(jié)構(gòu)，揭示了微生物景觀之間的一些明顯差異。腸道和其他身體部位，如口腔。

Forsyth Institute的資深研究員，資深作者加里·博里西說：“以前沒有人以這種方式研究過復(fù)雜的微生物群落。”“如果我們真的想要了解微生物組的作用，僅僅了解哪些微生物存在是不夠的。我們還必須了解他們正在做什么，他們正在談?wù)撌裁匆约盀槭裁?。這個問題的部分答案是弄清楚誰是旁邊的誰，誰是誰的旁邊。“

這正是Borisy和他的同事，包括海洋生物實驗室的第一作者杰西卡馬克韋爾奇和圣路易斯華盛頓大學戈登實驗室的同事所做的事情。研究小組向無菌小鼠中引入了15種不同的細菌種類，創(chuàng)造了腸道微生物組的人源化模型。雖然它只是人類腸道中常見的全套微生物的部分代表，但這種簡化的微生物群落提供了探索微生物如何組裝成不同鄰域的關(guān)鍵機會。

“我們使用探針點亮每種不同顏色的細菌，這樣我們就可以準確地看到細菌相對于彼此以及相對于食物和宿主組織等地標的排列方式，”Jessica Mark Welch，副科學家說。與海洋生物實驗室。

基于先前對腸道微生物組的研究以及他們自己對口腔微生物組(特別是在牙齒上形成的斑塊)的研究，研究小組預(yù)計會看到大量的結(jié)構(gòu)。

“到目前為止我們在口腔中檢查的部位，我們看到高度有序的微生物群落 - 以至于您可能將它們想象為多細胞器官，如肝臟或胸腺，”Borisy解釋道。“當然，它們是由細菌細胞組成的，但是有許多不同的細胞類型以高度結(jié)構(gòu)化的方式組織，如身體器官。”

但這不是他們發(fā)現(xiàn)的。在腸道中，研究人員觀察到微生物之間的高度混合 - 不是完全均勻的混合物，但仍然高度混合。“我們把它比作一個生物反應(yīng)器，在那里，東西攪拌著，混合得很好，”博里西補充道。

盡管這種模型腸道微生物組缺乏高度有組織的結(jié)構(gòu)，研究人員確實發(fā)現(xiàn)了一些“微型” - 棲息地，細菌細胞傾向于聚集。這些部位包括襯在腸道內(nèi)表面的組織(“上皮”)，其通常涂有一層粘液。它們還包括中央空間(“內(nèi)腔”)，收集食物和粘液。雖然這些地方的微生物種群在整體構(gòu)成上有所不同 - 也就是說，不同細菌的相對比例可能會波動 - 研究人員沒有觀察到任何明顯的差異，例如僅在一個地點而不是另一個地點發(fā)現(xiàn)的細菌物種。

“我們認為宿主正在使微生物群落均質(zhì)化，利用肌肉收縮來混合腸道內(nèi)容物并將它們推向腸壁，并將粘液和上皮細胞從壁上滑落到腔內(nèi)，”Mark Welch補充道。“可能是這種混合能夠使宿主和微生物之間保持穩(wěn)定的關(guān)系。”

研究人員解決這種錯綜復(fù)雜的微生物圖像的能力源于Borisy和他的同事將復(fù)雜的技術(shù)和方法結(jié)合起來的實驗策略。這些包括化學技術(shù)，可以標記15種不同的微生物;先進的成像方法，可以檢測和解決這些標簽;尖端的顯微鏡，可以光學(而不是物理)切片組織，以顯示復(fù)雜的三維標本;和軟件，便于分析和重建數(shù)百個生物圖像。這種創(chuàng)新方法最初應(yīng)用于斑塊微生物組的研究，由Borisy及其同事于2016年發(fā)表，最近應(yīng)用于腸道微生物組，如他們的新PNAS研究中所述。

雖然腸道微生物組似乎與身體其他部位的微生物組不相似，但從整體上研究它們可能會產(chǎn)生重要的教訓。Forsyth研究所的大部分工作都是口腔微生物組，其目標是更好地了解微生物群落。除了通過研究體內(nèi)各種位點來更好地理解管理某個特定微生物組的規(guī)則之外，微生物群落- 盡管在物理上是分開的 - 可以以影響健康的方式進行相互作用。

Borisy強調(diào)這種類型的微生物組研究還處于起步階段。然而，對于深入了解微生物功能至關(guān)重要。“想象一下，你進入波士頓，有人給你一個住在那里的每個人的電話簿。那太好了 - 現(xiàn)在你已經(jīng)列出了誰在那里。但是告訴我，你對波士頓作為一個城市了解了多少?”