「Nature子刊」微生物如何从食物的“菜单”中进行选择？（微生物世界内置菜单）

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作者：Ashley

导读：许多微生物是二次生长的，它们一次只消耗一种可用的食物资源，而不是同时消耗。二次生长的微生物群落的特性仍然知之甚少，这主要是由于缺乏此类群落的理论和模型。近期，科学家们开发并研究了在连续稀释培养物中组装的二次生长微生物群落的最小模型。研究为二次生长微生物的自然和合成群落的组装提供了可测试的预测。

微生物群落通常包含几个共存的物种，即使它们有相似的代谢能力。他们是如何做到这一点的尚不清楚。研究人员现在开发了一个模型，表明如果这些物种对它们消耗的东西有互补的偏好，它们可以更容易地共存。

许多微生物都是二次生长的——它们一次只消耗一种可用的食物资源，而不是同时消耗。每个物种都有特定的偏好顺序，从最偏好到最不偏好。重要的是，这个列表在不同的微生物中是不同的。有趣的是，像葡萄糖这样的糖本应受到普遍重视，但有些微生物却不喜欢，这让它们可以从同一份菜单中选择不同的食物。

生物工程教授、Bliss学院学者Sergei Maslov说:“尽管二次生长在20世纪40年代就被发现了，但人们还没有从建模的角度对它给予太多关注。我们有这个令人难以置信的微生物生态系统动物园，到处都有，人们正试图了解是什么让不同物种共存。我们想要了解二次生长群落的基本组装原则。”

《Nature Communications》杂志上发表了一篇题为《Complementary resource preferences spontaneously emerge in diauxic microbial communities》的论文。

研究人员模拟了在连续稀释培养中微生物群落的组装，在再次稀释之前，细菌被允许在一批新鲜的营养物质上生长一段时间。Maslov说：“连续稀释实验是实验室中最简单的实验，它们代表了自然界中繁荣与萧条的情景。例如，在肠道中，你可能有一批新鲜的营养物质，这些营养物质被微生物利用，直到它们吃光食物。在每个繁荣周期结束时，都会出现以稀释为代表的萧条周期。”

“每个物种的DNA中都有一个预先确定的偏好列表。我们的假设和实验支持的是，不同物种的营养消耗顺序是不同的。有些选择葡萄糖作为首选，而有些则选择乳糖。我们正在研究营养物质多样性和微生物偏好之间的相互作用。”

在这个模型中，研究人员首先假设一个物种可以在四种食物资源上生长。它首先在它最喜欢的资源上生长，直到耗尽，然后切换到下一个资源。在所有资源耗尽后，一小部分细菌被转移到新一批资源中，导致连续稀释。在这一点之后，随机选择第二个物种，研究人员模拟了由此产生的竞争和资源消耗。这个过程会一直持续下去，直到随机池中的其他物种无法入侵群落。在许多这样的模拟中，最终群落中的微生物往往具有互补的资源偏好，即它们的首选都是不同的。

尽管有人可能会猜测，微生物的首选是它生长最快的地方，但该模型没有这样的假设。麻省理工学院博士后研究员、Maslov实验室的合作者Akshit Goyal说：“实验表明，你喜欢什么和你在它上面生长的速度之间并没有明确的关系。然而，组装起来的微生物群落几乎完全由在它们的顶级营养物质上生长最快的微生物组成。”

研究人员在他们的模型中使用了大量随机产生的细菌。因此，他们正在寻找不依赖于细菌身份的模式。Maslov实验室的博士生Veronika Dubinkina说:“我们创建了一个几何理论，在这个理论中，你可以捕捉你的物种，查看它们对不同营养物质的偏好列表和生长速度，并预测实验的结果。即使没有进行模拟，你也可以预测一个物种是否会在一个特定的群体中生存。”

这项工作没有包括其他可能影响微生物生长的生长因子。Maslov实验室的博士生Zihan Wang说:“在我们的模型中，我们没有考虑交叉喂养，即一种细菌产生其他细菌可以使用的产品。我们假设所有的物种只能利用最初的资源。”研究人员计划将交叉喂养纳入未来的研究，以了解它如何塑造微生物群落。

Maslov说:“我们对将这个模型应用到真正的微生物生态系统很感兴趣，我们已经开始了另一个项目，看看在实际的连续稀释实验中会发生什么。制作一个大而复杂的模型非常容易。我们的理念是一次添加一个属性，例如二次或交叉喂养，并了解每一步都在发生什么。这样你就能逐渐更好地理解复杂的、现实世界的系统。”

参考资料：

https://phys.org/news/2021-11-microbes-menu-food.html

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。