研究不速之客

快速阅读: 《麻省理工学院科技评论》消息，米切尔与一家生物技术公司合作，研究用于治疗艰难梭菌感染的益生菌产品。通过基因测序技术，她追踪了21名受试者体内三种微生物物种的进化情况。利伯曼则开发了新方法，利用基因测序研究微生物的适应性和突变，以理解微生物在人体内存活和繁荣的条件。她认为，要向体内添加治疗性微生物，需更好地了解生态系统。

米切尔一直与一家当地生物技术公司合作，该公司的样本用于开发针对肠道的生物治疗药物。其益生菌产品用于治疗反复发作的艰难梭菌（C. diff）感染，含有八种密切相关的微生物菌株，属于名为梭菌目的微生物。该公司为56名人受试者提供了其中一种产品，并在一段时间内收集了粪便样本。米切尔正在使用基因测序技术追踪这21名受试者体内三种微生物物种的进化情况。识别个人特异性差异和相似性可能会揭示有关宿主环境的见解，并可能有助于解释为什么某些类型的突变允许一些微生物生存和繁荣。该项目仍处于早期阶段，但米切尔已经有了一个初步假设。“我心中的模型是，人们有不同的[肠道]环境，微生物要么与之兼容，要么不兼容，”她说。“并且有一个窗口，在这个窗口内，如果你是一种微生物，你或许能够停留下来，但可能不会繁荣。然后进化就会带你到达那里。当你到达时可能并不适应，但你足够接近可以停留并达到那个状态。而在其他人的环境中，你完全不兼容已存在的环境，而定居的微生物会击败你。”

她的工作只是利伯曼开发的新方法之一。利伯曼在2018年成立自己的实验室之前，曾在阿尔姆的实验室做博士后研究。作为哈佛大学的研究生，利伯曼获得了超过100份从囊性纤维化患者呼吸道、血液和胸组织中收集的冷冻样本。囊性纤维化是一种遗传性疾病，会导致肺部黏液积聚，从而容易引发感染。这些患者是在1990年代的一次疫情中发展出细菌感染的人。利伯曼及其同事认识到这是一个利用基因测序技术研究伯克霍尔德氏菌基因组进化的绝佳机会。是什么让伯克霍尔德氏菌适应并生存？她发现，许多存活下来的微生物在不同患者中独立地发展出了类似的突变，这表明至少一些这些突变帮助它们繁荣。这项研究表明哪些基因值得进一步研究，并暗示这种方法有望帮助理解微生物在人体内生长良好的条件。

利伯曼于2015年加入阿尔姆的实验室，目的是将她开发的实验范式和统计技术应用于新兴的微生物组研究领域。在她自己的实验室里，她开发了一种方法来了解自然选择压力如何导致可能帮助某些微生物定植的突变。这涉及研究在人体皮肤上形成的细菌菌落。利伯曼解释说，在肠道中，数百种不同的微生物共存并共同进化，形成一个异质的社区，其成员以目前尚未完全理解的方式相互作用。这产生了大量复杂的变量，使得难以确定为什么有些微生物能定植而其他微生物不能。但在皮肤上，代谢环境较为简单，因此较少种类的细菌共存。较少的物种数量使得更容易追踪特定微生物基因组随时间变化以促进生存的方式，皮肤的可及性也使得更容易弄清楚空间结构和其他微生物的存在如何影响这一过程。利伯曼实验室的一项发现是每个毛孔通常只由单一物种中的一个随机菌株占据。她的团队假设生存可能取决于毛孔的几何形状和微生物的位置。例如，由于这些厌氧微生物通常在难以到达的毛孔底部繁盛，那里氧气含量较低，第一个到达那里的微生物可以挤走新迁入者。

利伯曼说：“我的愿景，也是微生物组领域的一个愿景，”“有一天，我们可以向体内添加治疗性微生物来治疗疾病。这些微生物可以是天然存在的，也可以是具有我们想要的某种特性的经过基因工程改造的微生物。”她补充道：“但如何做到这一点确实很有挑战性，因为我们不了解系统的生态学。”她指出，即使是从另一个健康人体中提取的大多数细菌引入一个人的系统也不会在新人体内存活，除非你先用抗生素进行清理。“为什么这是这样，”她补充说，“这是我们真正不明白的地方。”

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