《自然》撰文探究微生物群落研究未来走势
时间:2017-12-07

  “自然”作者探索微生物群落研究的未来趋势 - 新闻 - 科学网

  科学史上不乏令人兴奋的重大发现,但在将这些发现应用于医学之前,必须经过多年的仔细观察。

  在电子显微镜下显示人类排泄物细菌。

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  科学家们一直在研究微生物群落在人体中的健康和疾病影响,目前这一领域的研究正在从构思不全到全面普及。在过去五年中,研究人员集中研究了身体内的微生物对糖尿病,癌症和自闭症等各种疾病的影响。

  随着研究的进展,公众对微生物菌落的热情也在升温,正如“纽约时报”曾经宣称其为细菌一样。一些科学家认为,抗生素会导致居住在人体内的微生物大量死亡,进而导致人类死亡。研究公司分析粪便样本,以确定微生物物种,并为客户提供有益的信息。然而,不同的研究公司在对同一样本的分析中差异很大。研究人员建议,更多的关注粪便移植治疗可以治疗糖尿病和阿尔茨海默病等疾病,互联网上的讨论也已经加剧,但研究人员必须警告患者不要尝试这些仍然不具有针对性的治疗方法。

  面对优势,微生物菌落研究的风险本身并不重要。美国加利福尼亚大学戴维斯分校的微生物学家乔纳森·艾森(Jonathan Eisen)已经获得了促进微生物菌落的奖项,并且认为有许多种类的微生物值得研究。

  以前的研究一直是惊人的,直到技术使研究人员能够探索弥合分子状态和人类健康之间差距的蛋白质,代谢物,遗传变异和特定基因活性。然而,研究人员的艰苦研究工作早已受到重视,研究人员之间的大多数推断联系都不存在,或者比想象的复杂得多。

  科学史上不乏令人兴奋的重大发现,但在将这些发现应用于医学之前,必须经过多年的仔细观察。另外,微生物菌落的积极性不再局限于科学研究领域,媒体,科研经费机构和公众都非常关注此事。正因为如此,微生物群落的蓬勃发展需要制定标准,引导研究人员。

  关键问题

  几天前,“自然”杂志就五个问题写了一篇文章,所有研究人员都应该认真考虑进行或评估微生物菌落计划。

  1.实验能鉴别微生物菌落之间的差异吗?

  研究人员可以通过分类对不同的微生物菌落进行分类,如品种和基因。然而,绝大多数分类工作是分析微生物16S rRNA(RNA的一个亚基),这是一个古老的基因,具有很低的变异性,因此具有很高的一致性。但是,基于这个基因的分析只能给研究人员一个粗略的想法。例如,肥胖相关的微生物菌落被分成不同的类别,并含有许多种微生物。如果对动物王国适用相同的标准,那么由于脊椎动物和软体动物的比例是4:1,一个含有100只鸟类和25只蜗牛的笼子与一个含有8条鱼和2个鱿鱼的鱼缸是一回事。但是,即使是同一种微生物,种群间的遗传差异也很大。

  现代技术使研究人员能够更好地区分不同的微生物种类,并且可以在一个样品中同时研究多个基因,从而可以绘制描述生化反应的代谢网络图谱。通过这种类型的分析,研究人员可以确定基因的组成和这些基因对人类健康的综合影响。然而,除非研究人员能够理解微生物菌落中每个物种的特征,否则很难理解个体基因对人类健康的影响。

  就个别种类的细菌而言,研究人员已经证明,30%的已知肺炎球菌已通过疫苗接种完全根除。但是,有一个前提条件,那就是研究人员知道哪一个基因要通过疫苗来处理和达到目的。如果研究人员不知道哪一种微生物是针对的,他们很难区分紧密合作的不同微生物,并且不能从中提取重要的微生物。此外,基因组既包含有用的线索,也包含潜在的误导信息,例如假设的蛋白质和研究人员目前无法理解的那些基因,尽管他们可以利用这些信息在代谢网络上发挥不同的作用。

  人们需要从各种共同工作的基因中找到一种单一的测序方法。研究人员必须记住,看似相似的东西实际上可能有完全不同的作用机制。

  实验结果揭示了因果关系还是相关关系?

  当特定的微生物菌落被证明与疾病相关时,另一个问题出现:该关联是否是因果的或相关的。有时候,一种被认为与特定疾病有关的细菌实际上只是一个局外人。

  2012年的一篇论文将居住在养老院的老年人的微生物菌落分解为社区中老年人的微生物菌落,发现两者在组成上有很大的不同,并且与身体的软弱有关。研究人员在考虑了一些相关因素之后,提出微生物菌落与老年人的弱点之间存在因果关系。也就是说,饮食可能改变体内微生物菌落的组成,从而影响他们的健康。虽然这个解释与数据是一致的,但相反地推测:身体健康的变化是否会影响体内微生物菌落的组成,研究人员并没有探讨这一点。事实上,脆弱人群的免疫系统可能较弱,而且可能存在消化问题。这些因素可以改变微生物菌落的组成。这篇论文的问题很有代表性。

  3.微生物菌落的作用机制是什么?

  科学家都知道相关性并不代表因果关系,但如果两者是相互依赖的,那至少有一些因果关系,只是不知道因果关系有多高。因此,研究人员必须通过实验来梳理微生物定殖的机制。

  在过去的三四年里,微生物菌落研究已经从先前的呼吸中发展到识别许多不可培养的微生物,以了解特定微生物的特定性质。现在,研究人员可以设计实验,通过例如破坏现有的微生物菌落,从中提取特定的细菌,或通过细胞培养芯片模拟整个器官的运动和机制,从而准确地查明给定微生物菌落各个部分的功能研究特定微生物菌落的作用机制。如果研究人员想要了解微生物菌落是否会影响人类健康及其作用机制,简化研究方法至关重要。

  4.实验室结果能反映真实的问题吗?

  即使微生物菌落在实验中取得了一些进展,但这并不意味着这样的科学发现可以应用于人类。

  许多研究发现肠道菌群与肥胖的关系,一些研究表明肠道菌群与体重增加是相互关联的。为了确定这种关联是因果还是相对的,从人类双胞胎(脂肪和瘦肉)中提取肠道菌落样品,并将其植入小鼠体内。研究发现,体重减轻开始发生在肥胖小鼠身上,这些肥胖小鼠已经接受了来自精瘦受试者的肠道菌落样本,只要他们没有高脂肪饮食,并且如果他们控制饮食单独的效果没有减肥的话。虽然对照实验表明微生物定殖对人体健康有重大影响,但实验也有其缺点:在这个饮食实验中,微生物菌落必须结合其他因素才能起作用。

  微生物菌落研究通常依赖于在实验室条件下不携带任何细菌的小鼠,这些小鼠允许研究人员很好地研究特定细菌的作用。但是它们并没有反映出老鼠本质上的本质,也没有携带任何微生物菌落,一般身体不好。因此,在这些条件下获得的实验结果可能不适用于携带大量微生物菌落的野生小鼠。此外,小鼠和人类之间的微生物菌落也有差异,所以实验结果可能并不普遍。

  5.有没有其他解释的结果?

  虽然有充分的理由相信细菌对健康有决定性的作用,但还有许多其他因素对您的健康很重要,例如您在之前的实验中已经证明的饮食结构。当一项研究将一种特定的微生物菌落与一种疾病联系起来时,研究人员应该考虑是否还有其他与该疾病相关的因素。

  必须指出,微生物菌落的研究存在一些危险,因为个人在缺乏了解的情况下可能做出错误的决定。科研院所要不断开发最新的实验方法来验证假设的正确性。评估研究结果。研究资助机构必须首先确保它们不受更广泛的环境的影响,并且在没有任何情绪影响的情况下审查科学家提交的研究数据。媒体官员应该停止夸大微生物菌落的结果,记者也应该批判性地批评研究人员的进展。科学家必须承受压力,实践研究,不能太快把微生物菌落的结果带入医学领域。 (段辛涔)

  “中国科学”(2014-08-28第三版国际)