近年來(lái)，微生物組研究已經(jīng)開(kāi)始將重點(diǎn)從微生物本身轉移到它們產(chǎn)生的分子上。畢竟，正是這些分子直接與人體細胞相互作用，影響人體健康。但是，試圖確定哪些分子是由人體微生物群產(chǎn)生的，是相當具有挑戰性的。一項典型的代謝組學(xué)研究只能表征人類(lèi)微生物組樣本中約10%的分子數據。

在發(fā)表在《Nature》雜志上的一項新研究中，加州大學(xué)圣地亞哥分校的微生物組學(xué)專(zhuān)家首次提出了一種他們稱(chēng)之為“反向代謝組學(xué)”的新方法。這項技術(shù)結合了有機合成、數據科學(xué)和質(zhì)譜法，以更好地了解微生物群分泌的分子以及它們如何影響人類(lèi)健康。

在逆向代謝組學(xué)的首次應用中，科學(xué)家們發(fā)現了數百種以前從未在人體中觀(guān)察到的分子。利用這些新數據，他們能夠識別炎癥性腸?。?/span>IBD）的新代謝組學(xué)特征。作者說(shuō)，這些分子有一天可以作為診斷IBD的生物標志物，或者作為幫助治療這種疾病的潛在治療靶點(diǎn)。

圖片信息：左側顯示了模型細菌經(jīng)歷聚合物壓力或更厚黏液的計算建模結果。右側沒(méi)有受到聚合物應力。

“據我們所知，我們的研究是第一次證明細菌集體在黏液中游泳，”賓夕法尼亞州立大學(xué)生物醫學(xué)工程、化學(xué)和數學(xué)哈克講座教授、該論文的通訊作者Igor Aronson說(shuō)。“我們已經(jīng)證明，與類(lèi)似稠度的液體不同，黏液能增強集體行為。”

Aronson解釋說(shuō)，黏液對許多生物功能都是必不可少的。它排列在細胞和組織的表面，保護細胞免受細菌、真菌和病毒等病原體的侵害。但它也是細菌感染的宿主物質(zhì)，包括性傳播疾病和胃病。更好地了解細菌是如何在黏液中聚集的，可以為對抗感染和日益嚴重的抗生素耐藥性問(wèn)題的新策略鋪平道路。

Aronson說(shuō)：“我們的發(fā)現證明了黏液的稠度如何影響單個(gè)細菌的隨機運動(dòng)，并影響它們向大型細菌群的協(xié)調、集體運動(dòng)的轉變。”“有研究表明，細菌的集體運動(dòng)或成群結隊增強了細菌菌落抵御抗生素作用的能力。在我們的工作中研究的集體行為的開(kāi)始與群體直接相關(guān)。”

Aronson解釋說(shuō)，黏液是一種眾所周知的具有挑戰性的物質(zhì)，因為它既具有液體性質(zhì)，又具有固體性質(zhì)。液體通常用粘度來(lái)描述，即液體的黏稠度或稀薄度，而固體用彈性來(lái)描述，即在破裂前能承受多大的力。黏液是一種粘彈性流體，具有液體和固體兩種特性。

為了更好地了解黏液是如何被感染的，研究小組使用顯微成像技術(shù)觀(guān)察了合成豬胃黏液和天然牛宮頸黏液中濃縮的枯草芽孢桿菌的集體運動(dòng)。他們將這些結果與枯草芽孢桿菌在水溶性聚合物聚維酮中從高濃度到低濃度的移動(dòng)情況進(jìn)行了比較。研究人員還將他們的實(shí)驗結果與黏液等粘彈性流體中細菌集體運動(dòng)的計算模型進(jìn)行了比較。

研究小組發(fā)現，黏液的稠度深刻地影響著(zhù)細菌的集體行為。結果表明，黏液越厚，細菌越有可能表現出集體運動(dòng)，形成一個(gè)協(xié)調的群體。

“我們能夠展示黏液中的粘彈性是如何增強細菌組織的，這反過(guò)來(lái)又導致了引起感染的細菌群的一致移動(dòng)，”Aronson說(shuō)。“我們的研究結果表明，黏液中的彈性和粘度水平是細菌群落如何組織自身的主要驅動(dòng)因素，這可以為我們如何控制和預防黏液中的細菌入侵提供見(jiàn)解。”

Aronson解釋說(shuō)，研究小組預計人類(lèi)黏液也會(huì )表現出類(lèi)似的物理特性，這意味著(zhù)他們的發(fā)現也與人類(lèi)健康有關(guān)。

Aronson說(shuō)：“細菌集體運動(dòng)的開(kāi)始以及它們與黏液的相互作用應該與牛、豬或人的黏液相同，因為這些物質(zhì)具有相似的機械特性。”“我們的研究結果對人類(lèi)和動(dòng)物的健康都有影響。我們正在證明黏液粘彈性可以增強細菌的大規模集體運動(dòng)，這可能會(huì )加快細菌穿透黏液保護屏障并感染內部組織的速度。”

論文的另一位合著(zhù)者是賓夕法尼亞州立大學(xué)生物醫學(xué)工程博士候選人Wentian Liao。美國國家科學(xué)基金會(huì )支持這項工作。

期刊：PNAS Nexus