戴磊跨界破解生物學難題，人體微生物群落研究或迎來突破

在人體腸道內，存在 160 多種、100 萬億個微生物群落。微生物群落髮揮作用，是通過多種微生物相互作用實現的。他們不是獨立的個體，而是互相配合、互相影響、互相競爭的關係。這種關係複雜而又難以驗證，人體內微生物群落的研究難度超出想像。

中國科學院深圳先進技術研究院研究員、博士生導師戴磊就是研究微生物群落的一名生力軍。他在本科階段進入中國科學技術大學學習，之後到麻省理工學院讀博，期間，更靈活的思維模式，開闊的眼界，讓他決定在物理和生物交叉領域進行一些嘗試。回國後，他加入中科院，全心參與到合成微生物組學的研究中。

戴磊對 DeepTech 說：「研究人體內微生物群落之所以困難，有兩個重要的原因。一是缺少研究工具，二是缺乏系統生物學思維。」

比如，艱難梭菌是人體內普遍存在的一種細菌，真正對人體產生威脅的不是細菌本身，而是在某些條件下，其釋放的毒素。患上艱難梭菌感染（CDI）的病人會出現水樣腹瀉或腹部絞痛，嚴重時會脫水乃至威脅生命。而治療 CDI 常用的抗生素法，會讓細菌產生耐藥性以至於導致 CDI 復發。

根據哈佛醫學院的研究顯示，20% 接受抗生素治療的 CDI 病人會復發感染。當前，清除 CDI 的最佳方法就是 FMT，即糞便移植，統計數據顯示，針對 CDI 復發患者，FMT 有效性約為 85%-90%。為什麼 FMT 作用如此出色，科學家也不太清楚。

圖｜人體腸道微生物群落 （來源：東方 IC）

生物學家搞不清楚的事，引起了麻省理工學院（MIT）物理學家的興趣。傑夫・戈爾（Jeff Gore），也是戴磊的博士導師，他用嚴謹的物理學方法研究 「生物如何在複雜的社群中生存下去」 這一問題，大大推動了人體微生物群落研究這一領域的進步。

一個悖論和一個笑話

物理學家和生物學家看待問題的角度不同。在他們各自的領域，物理學家會問：「為什麼它（物種）存在而不是不存在？」 生物學家會問：「為什麼有很多物種而不是少數物種？」

著名英國生態學家 G. Evelyn Hutchinson 在 1960 年的美國自然主義者協會會議上，提出了 「浮遊生物悖論（the paradox of the plankton）」。在一瓶海水中，存在著各種浮遊生物，他們都在爭奪相同的營養元素。根據達爾文的進化論，隨著時間的推移，應該只有一種生物會佔據生態位，但最後的結果是，競爭物種在生態系統中得以穩定共存，這不合理。

為什麼獲得優勢的物種沒有勝過其他所有物種？為什麼不存在一種或幾種生物，獲得競爭優勢後驅逐了所有其他的物種？自從達爾文完成《物種起源》，這個問題已經困擾了科學家 150 多年。

同樣，在物理學領域，存在這樣一個笑話：物理學家可以描述兩個或者無限多個元素的系統，但是在 2 與無窮大之間，我們一無所知。通俗的說，物理學家清楚兩個原子之間的相互作用；如果是一個房間內的原子，數量趨於無窮大，科學家可以用溫度、壓強等指標來描述這些原子集合的狀態。但如果研究 100 個或者 500 個原子之間是怎樣互相作用的，科學家就束手無策了。

一個悖論和一個笑話。其揭示的是同一個問題，即對一個生態系統或微生物系統，科學家難以研究其複雜的中間狀態，要麼只能對單個、兩個元素的系統進行研究，要麼對整個系統做出解釋。

戈爾的研究極有可能打破這一瓶頸。

在上個世紀 90 年代後期，戈爾還是 MIT 的一名本科生。他與沃爾夫岡・凱特爾（Wolfgang Ketterle）一起開發了一種用於研究玻色 - 愛因斯坦冷凝物的實驗儀器，凱特爾於 2001 年獲得諾貝爾物理學獎。此後，戈爾進入加州大學伯克利分校學習生物物理學，並以博士後的身份再次回到 MIT，開始他位於物理學 - 生態學邊界上的研究。

將 「精確」 與 「量化」 引入生態學研究

在戈爾看來，解釋生物如何在複雜的環境中生存，一定存在一個 「大而美的理論」。他注意到，在先前的研究中，理論和測量方法並不能總是得以匹配。這意味著，明確的、清晰的、可複製的側向方法是缺失的。因此，戈爾將微生物置於嚴格控制的環境中，並且用最先進的儀器跟蹤每個微生物個體的命運，並且嚴格計數。

從簡單到複雜，戈爾設計了一系列實驗。

首先是在糖溶液中培養啤酒酵母菌落。這些酵母菌能夠將不可食用的糖轉化為可食用的糖，因此每個酵母菌都可以從鄰近的酵母受益，但逐漸稀釋的糖溶液會最終導致酵母菌落餓死。研究人員在數據中捕捉信號，預測酵母菌落會繁衍還是崩潰。

這項研究於 2012 年發表在《科學》雜誌上，是戈爾實驗室迄今為止被引用最多的論文，其中最有名的是一個分岔圖，描繪了決定該生態系統保持穩定或走向崩潰的精確條件。此前，類似的研究大多停留在理論和模擬上。戈爾用實驗數據證明了理論的正確性。

既然已經驗證了只有一個生物的生態系統，那下一步當然是研究兩個生物的系統了。

研究團隊接下來從土壤中分離了八種細菌菌株，將它們兩兩配對並放置於 96 孔板中，觀察它們的共存關係。之後這些細菌又被全部混合在一起，因為要從整體上觀察它們的相處模式。

舉個例子，假設現在有三種細菌 A，B 和 C，我們可以將它們兩兩配對組合成 AB，BC 和 AC 三組生態系統。如果我們觀察到 A 能擊敗 B（兩者合併後 A 成為主導菌），B 能擊敗 C，那麼 A 就有很大機率擊敗 C。

這符合我們的直覺。實驗數據也證實，這個推測的機率是 90% 左右。也就是說，A 更有可能在複雜的 A、B、C 共存的混合環境中生存下去。

三種細菌循環克制

有了前兩個實驗做鋪墊，戈爾希望能進一步拓展研究範圍，使實驗更貼近現實情況。於是他帶領團隊在 MIT 校園中挖了一些土壤，拿回實驗室分離出了近一千種細菌菌株。

他們希望找到三種細菌相互克制的情況，類似於石頭 - 剪刀 - 布的關係，但這種情況在大自然中非常少見。

設計這套實驗的部分動機最早可以追溯到上世紀 70 年代。生態學理論學家提出，或許可以利用三個物種的混合競爭創造 「高階」 穩定狀態，防止一個物種大幅超越其他物種，優雅地實現生態系統多樣化。

然而由於缺乏實際數據支撐，科學家也不知道看似行得通的理論是否有實際價值。

圖 | 在自然界中，很難找到三個物種相互克制的關係（來源：Lucy Reading-Ikkanda/Samuel Velasco/Quanta Magazine）

在近一千種細菌中，戈爾的研究團隊只發現了一套三物種循環克制關係。當他們把這三種細菌和其他 17 種細菌放在一個培養皿中，整個系統遵守的是 A 擊敗 B，B 擊敗 C，C 擊敗 D 的遊戲規則。

最終只剩下 3 種細菌，成為了可以共存的優勢菌。

這與原本多樣化且穩定的土壤菌落環境相去甚遠，而且預期的 「三物種循環克制」 並沒有發揮太大作用。

戈爾得出結論稱，土壤物理基質內環境條件的微小變化可能會穩定自然環境中的微生物多樣性。

雖然這只是一個生態系統的工作方式縮影，但仍然是十分寶貴的數據和經驗。

人體內的微生態系統

為了將研究成果進一步推廣到實際應用中，戈爾團隊最近把目光轉向了腸道微生物領域。

微生物在大自然中扮演著重要角色，比如土壤裡的微生物雖然微不足道，但沒有它們就沒有茁壯生長的森林和其他植物，也就沒有了生態系統最重要的生產者，隨之而來的就是生物多樣性的崩潰，還會對氣候造成巨大影響。

事實上，科學家們也將人體消化系統視為微生態系統。腸道中廣泛存在的有益微生物群落可以幫助我們更好地消化食物，吸收營養，甚至是提升免疫力和認知能力。但也存在許多有害的微生物，例如引發腹瀉和結腸炎的艱難梭菌。

圖｜艱難梭菌 （來源：東方 IC）

針對類似的消化道疾病，有一種治療方式是糞便菌落移植。醫生會通過灌腸或口服膠囊等方式，將處理過的健康人的糞便提取液轉移到患者體內，從而重建健康的腸道群落。

戈爾的研究團隊希望能有所突破。他們的最新研究指出，當一個新的微生物進入到雙微生物共生的生態系統中時，該系統的優勢菌種通常會發生變化。這可能是糞便菌落移植能夠擊敗艱難梭菌的原因。

人體內微生物數量過於龐大，作為研究的起點，戈爾看中了生物學家做實驗常用的秀麗隱杆線蟲。這是一種以細菌為食，通體透明，非常容易培育的優秀實驗對象。

他們採用了類似土壤實驗的辦法，把帶有紅色和綠色標籤（染色）的細菌餵給線蟲，然後等一段時間後再將其解剖，以確定腸道中細菌的存活情況。

研究團隊進行了 11 種細菌的兩兩對比，然後再餵給線蟲其中的三種。就像土壤實驗中揭示的一樣，如果 A 能擊敗 B，B 能擊敗 C，那麼在 A，B，C 共存的環境中，A 在絕大多數情況下都是主導群落。

「儘管外部因素很重要，但細菌兩兩競爭的勝負情況，很大程度上決定了更複雜微生物系統的主導者，」 戈爾表示，「這對於預測微生物環境的主導菌落很重要。」 當然，人類腸道環境要複雜的多，而且真實情況下還有更多的環境變量，細菌還會分泌改變環境的物質，甚至細菌本身都會發生變化。這些沒有納入考量的因素，都會影響真實世界中微生物菌落的變化。

研究微生物療法的 MIT 生物學家塔米・利伯曼（Tami Lieberman）認為，想要在實驗室中完全複製人體微生物菌落的狀態非常困難，但 「這不意味著努力是白費的」。她正與戈爾討論一項新的合作，以測試和預測人類腸道環境中微生物之間的相互作用。

微生物群落：不止一種研究方法

目前，戈爾採用了 「自下而上」 的研究思路，嘗試搞清楚每種微生物作用，然後再推廣到大範圍微生物物種。但當系統發展到一定規模，具備更加複雜的特性時，這種方法的局限性就會顯現 —— 構建成千上萬物種之間的相互關係異常困難。

波士頓大學的理論物理學家家潘卡吉・梅塔（Pankaj Mehta）表示，雖然戈爾的研究成果令人印象深刻，超出了他的預期，但他對戈爾能走多遠持懷疑態度。

他認為，如果預測結果的方法是基於對每個元素的完全掌握，那麼當系統變得非常複雜時，就會變得幾乎無法預測。

不論評價如何，戈爾等人的研究會堅持下去。他們已經研究了 40 種不同環境下的 20 種土壤細菌，獲得了超過 18 萬對相互作用關係。初步結果是，一種微生物受益於另一種微生物的相互作用關係比想像中普遍得多。這可能會顛覆科學家對微生物菌落行為的傳統認知。

根據戴磊的介紹，針對人體微生物群落的研究，至少存在三個層面的研究思路。第一種是針對基因組表達，研究結構對基因表達的影響，重在理解 3D 結構。第二種稱之為調控，比如用噬菌體清除群落內的一種細菌，進行對照研究。第三種就是利用合成生物學的方法，降低複雜度，從人工合成細菌開始，組裝一個群落，從 「造物」 的過程中去理解它。

不僅僅是在美國，中國的研究人員也在開展人體微生物群落的相關研究。深圳未知君生物科技有限公司創始人譚驗對 DeepTech 說：「戈爾採用的方法是『自下而上』，從菌株開始，現在大量的方法是『自上而下』，對人群進行隊列試驗」。未知君則同時開展了 「自上而下」 和 「自下而上」 的研究。他們收集了大量了臨床數據，用 「自上而下」 的方法進行分析。同時，也採用合成生物學的方法，敲除細菌的基因，然後為群落建模驗證。

人體微生物群落的研究還處在初級階段，任何一種研究思路都具有重意義。正如戈爾教授所說：「我們現在只是打地基，類似於物理學家理解量子力學和原子的方式，」 它表示，「物理學家試圖理解氫的性質，並非因為他們對氫多感興趣，而是如果我們不了解氫，就不能進一步了解在氫基礎上構建的物質。」