中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成微生物組學(xué)研究中心、深圳合成生物學(xué)**研究院研究員戴磊課題組等以Ecological dynamics of the gut microbiome in response to dietary fiber為題在ISME Journal上發(fā)表了*新研究成果。團隊基于腸道微生物組的時序數(shù)據(jù)，解析膳食纖維調(diào)控下腸道菌群的動態(tài)變化，為系統(tǒng)性理解腸道微生物組的生態(tài)學(xué)規(guī)律以及開發(fā)相應(yīng)的精準(zhǔn)營養(yǎng)調(diào)控手段奠定了重要基礎(chǔ)。
膳食纖維對人體健康有著深遠的影響，高膳食纖維攝入可降低肥胖、炎癥性腸病、結(jié)直腸癌等多種**的風(fēng)險。越來越多的證據(jù)表明，對腸道菌群的調(diào)控是膳食纖維發(fā)揮其對人體健康有益作用的重要途徑。值得注意的是，腸道菌群不是許多各自獨立的微生物湊在一起，而是一個在資源競爭、營養(yǎng)共生和群體感應(yīng)等相互作用機制下形成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。因此，在復(fù)雜環(huán)境中對特定微生物進行調(diào)節(jié)，通常會牽動整個生態(tài)系統(tǒng)，菌群微生物的應(yīng)答變化很大程度上取決于微生物之間存在的競爭、互惠等生態(tài)互作關(guān)系（圖1）。
研究團隊通過生態(tài)動力學(xué)模型，解析膳食纖維干預(yù)下腸道菌群應(yīng)答的生態(tài)學(xué)機制。以廣義Lotka-Volterra（gLV）模型為框架，擬合小鼠腸道菌群在膳食纖維干預(yù)后的動態(tài)變化，推斷膳食纖維干預(yù)下生長速率有顯著響應(yīng)的關(guān)鍵微生物和不同微生物之間的互作關(guān)系。通過這一方法，該團隊成功推斷了小鼠腸道菌群中膳食纖維代謝功能的關(guān)鍵響應(yīng)菌，以及關(guān)鍵微生物之間的互作關(guān)系。當(dāng)關(guān)鍵微生物缺失時，膳食纖維對腸道菌群的調(diào)控作用可能會“失效”（圖2）。
研究團隊進一步將生態(tài)學(xué)模型用于分析人體腸道微生物組在膳食纖維干預(yù)下的時序數(shù)據(jù)，成功推斷出具有菊粉代謝功能的青春雙歧桿菌。此外，發(fā)現(xiàn)了青春雙歧桿菌與糞便擬桿菌之間存在的競爭關(guān)系，并通過體外培養(yǎng)實驗進行了驗證（圖3）。
針對膳食纖維干預(yù)下腸道菌群的個性化應(yīng)答現(xiàn)象，研究結(jié)合時序數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型，深入解析腸道菌群的生態(tài)學(xué)規(guī)律。該研究揭示了微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)對于理解與預(yù)測腸道菌群應(yīng)答的重要性，為開發(fā)生態(tài)層次的靶向調(diào)控手段奠定了理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金面上項目、中國博士后科學(xué)基金及深圳合成生物**研究院的資助。
