文章來源于（邁維代謝）腸道菌群是一個復雜的生態系統，主要分為三類：有益菌、中性菌和病原菌。有益菌是腸道定植菌中的主要組成部分，對維持腸道健康起著重要作用；中性菌也稱條件致病菌；病原菌是腸道中的有害細菌，可能引發各種疾病和感染，常見的病原菌包括沙門氏菌、幽門螺桿菌等。腸道菌群提供的一個主要健康益處是防止病原體定植和隨后的感染，這一現象被稱為定植抗性。腸道菌群是如何對抗病原菌入侵的呢？2023年12月15號一篇題為“Microbiome diversity protects against pathogens by nutrient blocking”發表在Science上，該研究揭示了人類腸道菌群對病原體入侵的防御機制。

根據前期的報道，已經發現多種機制影響微生物群提供定植抗性的能力，如對營養和空間的競爭，毒素和其他有害化合物的直接拮抗，以及促進宿主對病原體的免疫。但這些機制通常是特定環境的，依賴于特定的菌株或細菌種類。在腸道微生物多樣化的生態系統中，我們缺乏通用的標準來預測哪些微生物群是保護性的，哪些是允許病原體定植的。該實驗研究了人類腸道細菌如何影響兩種主要細菌病原體的定植，包括體外和無菌小鼠體內實驗。

組學方法：宏基因組測序分析，全基因組測序分析；

其他方法：生態入侵實驗，競爭分析實驗，體外實驗，體內實驗，營養重疊分析等；

微生物群的個體成員可以促進不同環境下的定植抗性，這表明一些物種比其他物種對定植抗性更重要。為了系統地評估這種可變性，研究人員篩選了100種不同的人類腸道共生體，以確定它們限制病原體生長的能力。腸道內的競爭既發生在病原體進入腸道時，也發生在病原體形成時。通過兩種共培養試驗來反映哺乳動物腸道競爭的這兩個方面（圖1A）。在第一個實驗（生態入侵實驗）中，加入病原體之前，在標準厭氧培養基中單獨預培養共生體，緩沖到人類結腸pH。在第二個實驗（競爭實驗）中，用相同比例的共生菌和病原體接種培養基，這是一種旨在捕捉競爭的方法，一旦病原體在腸道中站穩腳跟。研究人員通過肺炎克雷伯菌（ K. pneumoniae）和鼠傷寒沙門氏菌（S. Typhimurium）來評估病原菌的生長情況，根據菌株在生態入侵和競爭測試中限制病原體生長的能力對菌株進行排名(圖1B和C)。選擇了表現最好的10種非致病性共生菌并對它們進行更嚴格的定植抗性測試。首先將病原體引入給定共生菌株的預培養物中，24小時后，將混合物傳代到新鮮培養基中并讓其生長24小時，此時用流式細胞術評估病原體豐度(圖1D)。盡管選擇了排名最高的共生菌，但所有共生菌在長期競爭中表現不佳，大多數共生菌沒有明顯的定植抗性(圖1E和F)。表現最好的是大腸桿菌，它是鼠傷寒沙門氏菌的已知競爭對手，也是腸桿菌科的一員，但在這里提供的保護也非常有限，病原體仍然能夠達到10⁸到10⁹個細胞/ml。當10種病原體合并在一起時，檢測結果差異很大(圖1E和F)，兩種病原體的最終豐度都被強烈抑制，由此說明菌株僅在多樣化群落背景下對定植抗性起重要作用。

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圖1 單一菌群不能提供強大的定植抗性，但一個多樣化的群落可以，這取決于它的組成

雖然多樣性的潛在好處是明確的，但在觀察性研究中，因果關系可能會混淆。為了系統地測試多樣性在定植抗性中的作用，從10個排名最高的物種中隨機選擇多樣性增加的群落，并在擴展競爭試驗中與病原菌競爭。為了進一步評估多樣性的重要性，從篩選菌株中組裝了一個由50個非致病性共生菌組成的群落。結果發現不同群落中2種、3種和5種物種組成不同，在定植抗性方面存在很大差異，表明這種變異性的很大一部分是由群落的組成驅動的。大腸桿菌似乎對結果很重要，盡管單獨的大腸桿菌或沒有大腸桿菌的其他菌群對病原體的生長影響很小，但它們一起對病原體的生長有很強的影響。這種高階效應在生態學中被認為是重要的，因為它們意味著環境依賴性，通過模型算法分析發現，隨著多樣性的增加，對不同群落的定值抗性超過預期。

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圖2 有效的體外定植抗性需要生態多樣性和關鍵成員

為了對上述體外方法進行驗證，研究人員測試了共生群落在無菌小鼠中抵抗病原體定植的能力，無菌小鼠定殖的共生體群落在多樣性和存在或不存在大腸桿菌，鼠傷寒沙門氏菌成功定殖可引起急性感染和大量腸道炎癥，這是研究群落組成對病原菌生長影響的主要混淆因素。具有較低保護性微生物群的動物可能迅速死于感染，因此人們無法以可比的方式在不同的治療中隨時間推移遵循生態動態。因此，該研究選擇使用一種無毒的鼠傷寒沙門氏菌變體來消除腸道炎癥對病原體和宿主的影響，從而使病原體豐度被用作疾病風險的衡量標準。引入跟以前相同的多樣性范圍的群落，然而，與體外實驗相反，并非所有的共生物種都能可靠地在無菌小鼠體內定植。通過宏基因組測序分析發現，向小鼠引入更高多樣性的群落確實導致了更高的物種多樣性，并確定了所有成員的相對豐度。正如在體外實驗觀察到的那樣，兩種病原體的微生物組多樣性與糞便中的病原體豐度呈負相關(圖3D和E)。此外，dropout實驗再次揭示了大腸桿菌和其他群落成員結合對定植抗性的重要性(圖3D和E)。與體外實驗相比，哺乳動物腸道中有效的定植抗性需要更高的多樣性，這可能是由于腸道環境和空間異質程度高于試管。然而，在小鼠實驗和體外實驗中，關鍵模式保持不變。生態多樣性和高階相互作用對兩種病原菌的定植抗性都很重要。如前所述，高度多樣性下生態競爭的簡單零模型的強烈偏差(圖2)。除了顯示這些模式的普遍性之外，體外和體內方法之間的這種契合驗證了擴展競爭分析作為探索定植抗性生態的方法。

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圖3 有效的體內定植抗性需要生態多樣性和關鍵成員

這種高階效應在定殖抗性中的發現表明，定殖抗性是一種生態復雜的特性，由于高度的環境依賴性，這一特性可能具有挑戰性。利用物種的基因組來評估共生體群落和病原體之間在蛋白質組成上的重疊的功能相似性。計算了在每個調查的群落中也存在的病原體攜帶的所有蛋白質家族的百分比，這種功能相似性的測量可能映射到生態位重疊，從而映射到共生體和病原體之間的生態競爭強度。結果發現，實驗群落所覆蓋的編碼蛋白家族的數量與添加的物種數量成比例地增加。排列分析還證實，該研究隨機選擇的群落很好地代表了所有可能研究的群落。大腸桿菌的影響已經清楚地表明了蛋白質家族重疊的潛在重要性(圖2和3)。大腸桿菌與肺炎克雷伯菌和鼠傷寒沙門氏菌屬于同一細菌家族，可以看出，大腸桿菌在很大程度上促成了給定群落與任何一種病原體之間的蛋白質家族重疊。然而，通過只選取含有大腸桿菌的群落來控制這種效應，體外實驗中，群落的蛋白質家族與病原體的重疊與其定植抗性之間存在很強的相關性(圖4A和B，以及圖5)。換句話說，如果共生體物種或群落編碼許多與病原體相同(或相似)的蛋白質，它就能提供更好的定植抗性。

基因組分析同樣表明，在編碼功能上與病原體高度重疊的群落提供了最好的定植抗性，即生態位重疊對抗定植生態模式很重要，生態位重疊的關鍵驅動因素之一是資源競爭。通過生成原始篩選中鑒定的兩組10個關鍵共生體物種對每種病原體的代謝譜，探索了營養競爭的作用。結果發現蛋白質家族和代謝與病原體群落重疊之間存在強烈的正相關關系，且只有當群落與病原體在碳源利用譜上有足夠高的重疊時，才能觀察到定植抗性。此外，與病原體代謝重疊最多的群落具有最大的定植抗性。這些數據指出了營養競爭的重要性，特別是群落和病原體之間的營養利用重疊。

通過營養競爭和營養補充實驗發現，如果病原體可以使用該營養物質，而大腸桿菌不能(圖4E和F)，那么在不同的群落中，定植抗性就會喪失。然而，當大腸桿菌可以使用該營養物質時，定植抗性就會恢復。說明微生物群落消耗病原體生長所需營養的能力是定植抗性的基礎。營養阻滯效應是整個群落的特性，而不是某一物種的特性。盡管與病原體有相當大的基因組和代謝重疊，但像大腸桿菌這樣的物種并沒有消耗足夠的不同營養物質來阻止病原體的定植。只有與其他物種結合，大腸桿菌才能有效地限制病原體的生長。

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圖4 營養重疊可以解釋生態多樣性的作用和大腸桿菌在定植抗性中的作用

定植抗性是一種復雜的生態特性，但這種復雜性可以通過一個簡單的基本原理來理解和預測。作為對這些發現的額外測試，研究人員使用營養阻斷原理來預測群落組成，這些組成可以提供最初實驗中不存在的細菌菌株的定植抗性。在這項試驗中，選擇了一種從患者尿液中分離出來的抗微生物耐藥性(AMR)臨床大腸桿菌菌株。抗菌素耐藥性大腸桿菌菌株是目前抗生素替代品的主要目標，因為最近發現該菌株的成員是造成抗菌素耐藥性相關死亡人數最多的細菌。AMR大腸桿菌與共生體大腸桿菌的蛋白質重疊最多，但根據抑制兩種病原體所需的重疊，預計還需要其他菌株來限制營養可用性。利用生物學數據與AMR大腸桿菌的資源利用重疊，結果發現多樣性提高了資源利用重疊的中位數，但這在很大程度上取決于共生體大腸桿菌的存在。

通過評估其他5種群落的定殖抗性來評估選擇高表現和低表現群落的能力，在5種水平上，50種大腸桿菌可以組成超過20萬個大腸桿菌群落。使用算法對大約50,000個樣本進行了分析，確定了4個預測表現良好的菌群組成和4個預測表現不佳的菌群組成。與研究人員的預測一致，預測抗定植的群落與預測允許定植的群落相比，AMR大腸桿菌的豐度中位數減少了100倍(圖5F)。

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圖5 營養阻塞預測群落的定植抗性

該研究結果說明多樣化的微生物組可以提供健康益處，特別是它們可以提高對病原體定植的保護。定植抗性是微生物群落的集體屬性，換句話說，一種菌株只有在與其他菌株結合使用時才具有保護作用。至關重要的是，盡管微生物組多樣性的增加提高了抵御病原體的可能性，但微生物群落和病原體之間營養利用譜的重疊是關鍵。

腸道菌群多樣性對于宿主健康如此重要，怎樣做才能保護腸道菌群多樣性呢？下面是小編搜集的一些可以保護腸道菌群多樣性的建議，供大家參考。
1.飲食多樣化：吃各種不同種類的食物，包括蔬菜、水果、全谷物、蛋白質和健康脂肪等。多樣化的飲食可以提供各種不同的營養物質，促進腸道菌群的多樣性。
2.多攝入膳食纖維：膳食纖維是腸道菌群的重要食物來源。多吃富含纖維的食物，如水果、蔬菜、全谷物和豆類等，有助于促進腸道菌群的生長和繁殖。
3.控制飲食量：過度飲食會導致腸道菌群多樣性下降。控制飲食量，避免暴飲暴食，有助于維持腸道菌群的平衡。
4.減少壓力：長期壓力會破壞腸道菌群的平衡。學會有效管理壓力，通過放松身心的方式來減輕壓力對腸道菌群的影響。
5.保持適度運動：適度的運動有助于改善腸道蠕動，促進腸道菌群的生長和繁殖。定期進行適量的運動，如散步、慢跑、瑜伽等，對維護腸道菌群多樣性有益。
6.避免濫用抗生素：抗生素會破壞腸道菌群的平衡，導致腸道菌群多樣性的降低。盡量避免濫用抗生素，尤其是在沒有醫生指導的情況下。
總之，保護腸道菌群多樣性需要我們從多方面入手，包括合理飲食、控制飲食量、減少壓力、適度運動、避免濫用抗生素等。