【续：Nature：菌群大招有哪些？如何出招？（一）】
在进行粪菌移植前，研究人员对供体的粪便进行检测
图片来源：Lewis Houghton/SPL
④ 利用微生物对付疾病
虽然这是发生在十年前,但是 Willem de Vos 仍然清晰地记得他的同事们被要求停止他们正在开展的临床试验。De Vos 是第一个开展粪菌移植（FMT）随机对照试验的团队中的一员。在该试验中，健康供体的粪便被作为治疗艰难梭菌感染并诱发破坏性复发肠道感染的最后方案。
大约一年后, 负责监督该试验的数据和安全监测委员会认为已经得到足够的数据: 试验需要结束。但这并不是因为没有疗效。事实恰恰相反，由于 FMT 被证实具有非常好的效果，所以对对照组继续进行传统的抗生素处理就显得不符合伦理了。
“试验结果告诉了我们,它确实起作用和为什么能起作用，” De Vos，这位来自荷兰瓦格宁根大学和芬兰赫尔辛基大学的微生物学家这样说。曾接受过抗生素治疗的复发患者们接受了移植手术, 最终被治愈。
艰难梭菌的故事是越来越多的肠道微生物组如何塑造了我们的生物学的例子之一。生活在我们肠道中的微生物组和我们生理活动的多个方面都息息相关—从肥胖到免疫系统如何工作，甚至再到心理健康。
运用 FMT 治疗艰难梭菌的成功案例表明，理论上，是可以通过调节肠道生态系统达到治疗疾病的目的的。目前，科学家们正在尝试着对肠道微生物进行改造，以实现上述目的。
合成生物学家们正在致力于在物种层面上对细菌进行改造，包括设计细菌以传递治疗有效载荷，还有实现对体内各种疾病的监控和应对。
与此同时，合成生态学家还把肠道看作是一个生态系统，将微生物聚集在一起，它们通过相互作用可产生具有医疗作用的物质或行为。
这两种方法目前都还处于起始状态，要想将它们应用到临床上还会面临一些挑战。但是，这些技术已经被证实是非常强大的工具，对科学家们探索我们内部生态系统中微生物间复杂的相互作用是非常有帮助的。
定制细菌
对单个微生物进行改造,具有非常可观的潜在应用价值。肠道细菌已被成功改造产生治疗分子以用于治疗代谢性疾病、杀灭病原体和引发应对癌症的免疫反应。
一株大肠杆菌被改造后可产生具有纠正罕见代谢缺陷能力的蛋白质药物, 目前该成果正在进行临床试验中。
在 2018 年, 新加坡的一个研究小组发现，改造后的肠道细菌可粘附在结肠癌细胞, 并能分泌一种神奇的酶，该酶可将一种在蔬菜如西兰花中广泛存在的物质转化为抑制肿瘤生长的分子。当将该菌喂食给患有结肠癌的小鼠时, 可以缩小肿瘤并降低复发概率1。
细菌甚至可以被改造并赋予感知疾病迹象的能力, 还可产生具有治疗效果的分子药物。
例如, 在 2017 年，研究人员们对一种通常被用作益生菌的肠道细菌进行了改造, 使其具备了识别致病菌释放的通讯信号的能力。识别信号后, 该益生菌则会释放出一种抗菌分子作为回应。研究人员们证实这种因改造而获得的能力，有助于清除蠕虫和小鼠体内的感染2。
上述这些研究展示了这种治疗方法的潜能，但是，迄今为止，工程菌还只是相对简单的系统——它们只能以恒定的速度产生治疗分子，或者只能响应一种环境信号。
现在，研究人员们正在致力于拓展工程菌的范围, 利用包含更多复杂元素的 DNA 对细菌进行改造，这些元素的工作原理像电子环路一样。这属于合成生物学的范畴，该学科旨在将工程学原理，比如标准化、模块化，应用到生物学系统中去。
这些复杂的工程学操作使得细菌可以做一些简单的计算任务, 比如在很久后仍能记得曾经接收过的某个“一次性刺激”。
例如，位于美国马萨诸塞州波士顿的哈佛大学怀斯生物启发工程研究所（WyssInstitute for Biologically Inspired Engineering）的 Pamela Silver 领导的一个合成生物学研究团队, 对一种细菌进行了改造并成功使其具备了识别炎症性肠细胞所产生的一种化学物质的能力。
作为响应, 细菌会分泌出一种分子信号, 并且会持续保持分泌状态，即使肠道炎症已经消失。由于在粪便样本中这些信号能被检测到, 所以该类细菌具有被应用于活体检测炎症性肠道疾病的潜力。而该类疾病症状的显现通常很短暂, 因此在临床上很难被检测到。
该类细菌在 6 个月大的小鼠的肠道内可形成稳定的菌落, 并会对实验诱导的肠道炎症作出响应3。重要的是, 能记住其他类型环境信号的工程菌有助于研究人员们探索肠道不同区域的情况。而这个问题，如果利用常规的粪便样本进行研究, 很难得到解决。
“我们真正想要的结果是：细菌就像一个个侦探一样,告诉我们当它们穿越肠道时,究竟发生了什么。” Silver 说。
合成生物学家们已经设计出一种能够记住化学物质的细菌，它能分泌出一种分子信号以使其被识别。
图片来源：Wyss Institute at Harvard University
在实验室中，成功实现一个遗传回路的运转就已经很困难。而要将这个遗传回路成功转化到混乱的、充满竞争的肠道微生物的外部环境中，更是一个挑战。
任何会带来额外负担的改造（比如，产生额外的蛋白质），都会使接受该改造的细菌处于竞争劣势，进而导致该细菌要么在竞争中被淘汰，要么主动丢弃那些经改造所获得的功能，以获得存活的可能。
这在一定程度上促使研究人员们努力实现工程菌从“试管”向“动物模型”的跨越。科学家目前正在研究解决该问题的方法：例如，Sliver 正在使用自然状况下对细胞带来负担最小的遗传因子对细菌进行修饰。
最后的难关将是如何让工程菌变得更有效率、更安全。与常规药物不同的是, 工程菌可能会被散播在环境中, 并和其他细菌发生 DNA 的交流。
虽然这些工程菌在野生状态下的存活几率被认为很低，但不可预见的后果（更不用说需要获得公众的认可和监管部门的批准）发生的可能迫使研究人员们去寻找一些控制工程菌的方法。
比如设置“死亡开关”：当被改造过的遗传回路出现故障或者当这些细菌离开人体时, 该工程菌将主动产生毒素来杀死自己。
构建微生物群落
虽然一些科学家在对单个的细菌进行改造，但是另外一些科学家则正将注意力转向微生物群体。正如一座城市的正常运转需要大量的负责各种工作的人员的参与，肠道功能的实现也需要大量的执行不同功能的微生物之间的配合。
其中一些相互作用是新陈代谢层面的，比如说，某个细菌制造的某些物质可以被另一个细菌“吃掉”。
另一些相互作用是生态层面的，比如一个细菌可能会抑制另一个细菌的生长。当共同生存时，微生物群落会产生出一些微生物单独存在时不会产生的分子或者行为。
这些新被发现的微生物组属性，为我们的身体带来了巨大的影响，比如通过制造的维生素和分子来调节我们身体的免疫应答。为了能够理解这些微生物间的相互作用和开发出新的治疗方法，研究者们正在尝试建立不同微生物的混合体, 称之为合成生态系统。
虽然有些科学家正在使用遗传工程改造过的微生物做试验，但是在大多数情况下，这些生态系统仍是由自然状态下形成的细菌菌株组成。
从治疗的角度看，合成生态系系统具有许多潜在的优势。目前，FMT 的开展主要依赖于捐赠者提供的粪便。粪便样本中包含高度复杂的微生物混合体，并且其复杂程度因人而异，每个捐赠者都不相同, 所以每个样本都要进行病原微生物的筛查。
如果 FMT 能够被精简到仅移植那些治疗所必需的关键物种，那么，这些简化的无病原体的微生物就可以在实验室进行培养了。人工合成的微生物群落将提供一套组成成分已知的标准治疗方案, 并可消除对合适供体的依赖。
研究（包括一些以人为对象的研究）表明这个方法是可行的。从粪便中分离得到的人为选定的微生物混合物已经在对感染艰难梭菌的患者的治疗方面表现出潜力。并且，不但可以治疗感染，而且还可以应对炎性肠病。
2013 年，一个由日本科学家领导的团队鉴定出了一个人类微生物群落, 该群落可以促进调节性 T 细胞（一类可抑制炎症反应的免疫细胞）的活性,并且可以缓解小鼠炎性肠病的症状4。
除了开发新的治疗方法外，对常规的 FMT 进行精简还可使科学家们知道粪便移植中究竟是哪一类细菌在发挥治疗效果——这也正是 De Vos 和他的同事们在治疗炎症性肠炎和代谢综合征时想要知道的问题。
这种 FMT 的精简方法的一个弊端是，它合成群落的应用范围局限在了已知的功能上。可能在某些情况下，你想创建一个具有新的功能的微生物群落，比如能够生产维生素或者降解毒素。
创建微生物群落的新的功能需要进行自下而上的设计，对不同的微生物组合进行测试，包括那些自然状态下不可能共生的微生物，直到某一种微生物组合能够产生出我们想要的结果。
通过实验室中的反复试验来研究该问题，显得十分笨拙，所以研究人员们开始求助于计算机模型的构建。
构建计算机模型的目的是基于微生物之间已知的相互作用来预测微生物群落的新的属性。以色列特拉维夫大学的一个由 Elhanan Borenstein 领导的团队创建出一个可模拟微生物个体内代谢反应的计算机模型, 对“在有其他微生物的代谢存在时微生物个体将做出什么代谢反应”做出了模拟5。
通过模拟“微生物对”之间的相互作用，他们明晰了微生物单独存在时不可能产生的新的代谢产物的产生过程。这些模型也可以模拟生态学层面的相互作用，比如一种微生物的丰度是如何影响其他微生物的丰度的。
这对科学家们设计稳固持久的微生物群落有很大的帮助。
微生物生态
计算机建模和实验室培养的微生物集群使得研究者们能够更加深入地理解在自然状态下肠道微生物如何发生相互作用，以及它们与宿主人类之间的相互作用。
De Vos 的团队培养了 4 种通常共同定植在肠道黏液层的细菌6。其中一种细菌, 叫 Akk 菌可将肠道中的黏液分解成可被其他细菌“吃掉”的小分子。
研究团队发现，这些细菌并不仅仅将这些分解而来的分子“吃掉”，同时它们还会合成一些其他的分子“反哺” Akk 菌和宿主，比如产生丁酸盐：一种被肠壁细胞所需要的脂肪酸。
研究人员们正在通过构建“最小化微生物组”（构建一个稳定生态系系统所需要的最小数量的物种的微生物群落）来获得有关微生物之间和微生物与宿主之间的相互关系的新的见解。
2016 年的一项研究阐述了如何将“最小化微生物组”和比较基因组学相结合，进而设计出具有所需求属性的微生物群落。
德国的路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学的 B?rbel Stecher 和她的团队开发出“Oligo-MM12 最小化微生物组”——仅有 12 种肠道微生物，它可以帮助缺乏自身所有细菌的小鼠阻止肠道沙门氏菌（Salmonella enterica）在肠道中的感染7。
这 12 种细菌几乎可以阻断所有种类的沙门氏菌的感染, 但是不能完全排除常规的微生物组中引发感染的细菌。
通过将 “最小化微生物组”和复杂的微生物组进行比较基因组学分析, 研究人员们找出了该微生物群落所缺少的生态功能, 通过增加 3 个或者更多的微生物物种填补该功能缺口, 进而形成一个在阻断沙门氏菌侵染方面和阻断常规微生物感染方面效果一致的微生物群落。
研究人员们的最终的希望是这一类研究能够设计出一种可以具备医疗属性（比如可以生产丁酸盐和维生素）的“最小化微生物组”。
或许, 微生物组工程学的最终应用将是把合成生物学和合成生态学结合起来。科学家将创造出包含基因工程微生物的微生物群落, 而这些微生物的群体行为将产生出相应的治疗效果。
这种方法的其中一个优势是，工程师们能够将不同的代谢任务分配给不同的细菌。这意味着, 所有的制造药物或者维生素的生理压力将不会只由一种细菌来完成。
一些研究组已经在该领域取得进展, 这包括开发了一个通过某种细菌感应其他细菌的检测系统。
研究人员们正在利用细菌的这种特征，被称之为细菌的群体感应（quorum sensing）。研究人员利用这种特征去控制由混合菌群的行为，比如使原本相互竞争的细菌们能够共处并形成一个稳定的群体。
对肠道微生物组进行改造的潜在回报是非常巨大的，但是实现目标过程中所面临的挑战也同样是巨大的。
在所有已开展研究的人类微生物组中，肠道微生物组是迄今为止已知最大和最复杂的。还有太多研究工作需要去做, 这包括微生物的种类、基因的表达以及相互之间的作用。
而且，这些是在你开始研究人类宿主之前，必须要做的工作。的确，个体之间的差异太大了，以致于迄今我们仍不清楚所谓的“人类健康微生物组”是什么样子。
即便这样，微生物组研究的潜在回报仍然在激励科学家们奋勇向前。Borenstein 希望有朝一日能够获取并利用个体的肠道微生物、生理状况、饮食习惯和基因组方面的信息，构建出该个体的肠道微生物的计算机模型，这将使治疗或预防疾病的个性化干预方案的成功设计成为可能。
Borenstein 承认道：“这不是在一年、两年或者五年后就能实现的，但是，我们一直在努力，与此同时，我们也学到了很多有趣的生物学知识。”
本部分参考文献：
1. Ho, C. L. et al. NatureBiomed. Eng. 2, 27–37 (2018).
2. Hwang, I. Y. et al.Nature Commun. 8, 15028 (2017).
3. Riglar, D. T. et al.Nature Biotech. 35, 653–658 (2017).
4. Atarashi, K. et al.Nature 500, 232–236 (2013).
5. Chiu, H.-C., Levy, R.& Borenstein, E. PLoS Comput. Biol.10, e1003695 (2014).
6. Belzer, C. et al.mBio 8, e00770-17 (2017)
7. Brugiroux, S. et al. Nature Microbiol. 2, 16215(2016).
⑤ 饮食应该是工具而非治疗手段
本部分的作者是位于加利福尼亚大学旧金山分校的贝尼奥夫微生物组医学中心的微生物学家 Peter J. Turnbaugh。
近期，一项关于食用红肉和加工肉制品所带来健康效果的研究1再度引发了有关“在告知大众他们应该避免吃什么食物之前，需要哪些证据”这一长期争论的话题。
对于我来说，这项研究正好与我的研究方向贴近——我的实验室的研究结果显示，摄入肉类食品改变了人类和老鼠的肠道微生物，并且我经常被人们问到“肉类是否是一种对肠道微生物不利的食品”。
我们的结果表明，摄入肉类会促进细菌的生长，加剧老鼠的炎症性肠炎（IBD），降低代谢纤维的微生物数量2。
但是我们在人类和小鼠里所进行的实验都很短，而且对肉类摄取是控制的和极端的。这种实验产生的结果是否能够真正代表人类在更典型的饮食中所发生的变化呢？
基于微生物组研究的饮食建议也做出设想：通过不同的微生物组预测对健康的影响——这个目标目前还没有实现。即使是研究较为透彻的机制在人体健康中也存在未知的影响。
举个例子，就拿细菌消化纤维所产生的短链脂肪酸（SCFAs）来说。短链脂肪酸作用于多种组织，并且对细菌和宿主细胞均有作用。此外，不是所有短链脂肪酸都相同。
因为还没有考虑到碳水化合物和氨基酸发酵所产生的产物，更不用说由其他微生物所产生的代谢产物，这些产物可能会增强也可能会抵消特定成分所产生的效果。
因此，尽管增强短链脂肪酸产生进而预防代谢疾病和其他疾病作用的饮食推荐具有一定的吸引力，但是微生物组产生的广泛效果和它们同宿主间复杂的相互作用是很难预测的。
另一个巨大的知识缺陷是，除了常见营养素（脂肪、蛋白质和碳水化合物）以外，微生物组受到饮食影响和调节的程度。
我们实验室的结果表明，未烹饪的土豆同烹饪的土豆对于肠道微生物组的影响是大不相同的3，尽管烹饪导致碳水化合物的变化可以解释这个现象。我们的数据还证明了植物中更加广泛的化学成分多样性也同样需要考虑。
其它研究强调了肠道微生物可以使烹饪过程中产生的潜在有害物质失去作用4。这些研究结果表明了，研究者们不仅需要考虑食物的成分，还需要考虑这些食物的制作方式。
有关饮食和肠道微生物组的研究目前产生了大量的问题。因此，更加重要的是我们需要找到可靠的方法分析数据，去解决我们在探究微生物组如何起作用时产生的疑问。
可以从传统药物开发中借鉴的两种明确策略利用微生物组数据：生物标记物的开发和以靶标为驱使的筛选。
将肠道微生物组作为一种生物标记是由魏茨曼科学研究院的 Eran Segal 率先提出的。Eran Segal 的研究团队，使用微生物组数据同其他数据一同预测餐后的血糖水平。尽管将微生物组数据添加到特定的应用中，这一举措的价值仍然需要讨论。
但这些方法的普遍限制在于所涉及机制的信息提供得较少。这导致我们很难推测因果关系，对机制进行猜想，也难以将这些推测因素扩展到未来的关于宿主和微生物组的研究中。
另一种方法：通过饮食选择特定的细菌靶标。这种方法已经应用在了治疗营养不良儿童的饮食设计中5。原型饮食的设计目标是促进严重急性营养不良儿童中典型缺乏的细菌生长。
在对小鼠和猪的这些微生物进行广泛的临床前试验之后，研究者们进行了随机双盲对照喂养实验，为对人体效果研究提供了初步的支持。
这些靶标驱使的方法比生物标记的方法要更加有优势：很容易就可以观察到未来发现的微生物组机理同疾病之间是如何联系的，并将此应用到饮食治疗的开发中。
随着对于饮食和肠道微生物相互作用研究数量的增多，我们有必要考虑饮食建议是否是利用我们对微生物组在营养方面日益增长的知识的最佳方式。调整食物的类型和数量是一种有吸引力的干预方式，因为它很简单，但是限制性的饮食要维持很长一段时间是很困难的——尤其是对患有严重疾病的人。
在未来，研究者可能会将饮食作为一个人类或者动物模型的发现平台，来挖掘特定的物种、基因或者酶，以成为传统的小分子药物、生物制品或细胞疗法的靶标。
像“人们应该吃什么？”这样的问题可能会变成“未来我们如何设计出基于微生物的药物”。
本部分参考文献：
1. Johnston, B. C. et al. Ann. Intern. Med. 171, 756–764(2019).
2. David, L. A. et al. Nature 505, 559–563 (2014).
3. Carmody, R. N. et al. Nature Microbiol. 4, 2052–2063(2019).
4. Wolf, A. R. et al. Cell Host Microbe 26, 463–477(2019).
5. Gehrig, J. L. et al. Science 365, eaau4732 (2019).
