在我们的肠道中生活着数万亿的微生物，它们主要以密集、有序的群落形式存在于肠黏膜表面。这些微生物簇被称为生物膜，是消化、免疫功能和保护我们免受疾病的重要生态系统。然而，理解这些微生物群落的工作机制一直是一个科学挑战。
现在，加州大学伯克利分校的一个研究团队开发了一种先进的计算平台，称为MetaBiome，它可以模拟不同种类的肠道细菌如何随时间生长和相互作用，从而为我们提供了对体内微观世界的全新见解。
他们的研究最近发表在《mSystems》杂志上，揭示了有益细菌如何建立稳定社区并促进肠道健康的规则。
“我们的模型使我们能够深入了解这些复杂的微观社区，这样我们可以观察到肠道细菌如何生长、适应并对不断变化的条件作出反应，”该研究的主要研究员、生物工程和机械工程教授Mohammad Mofrad说。“我们现在可以更好地理解支配它们行为的规则，并可能开发出更有效的方法来促进肠道健康和治疗疾病。”
使用MetaBiome来模拟这些社区就像构建一个虚拟世界，在这个世界里，每个角色都是一种细菌，具有独特的特征、行为和需求。这些角色生活在虚拟的肠道中，食物（营养物质）流动，废物积累，新的微生物不断进入这个场景。有些细菌合作，共享营养物质并帮助彼此生存。另一些则竞争并排挤邻居。
研究人员可以“观察”成千上万的这些数字微生物如何生长、移动和互动——就像一个繁忙的城市，每个居民的行为都会影响整个社区。
“这就像编程一个微型社会，”Mofrad实验室的博士生、共同第一作者Javad Aminian-Dehkordi说。“我们可以测试不同的场景——比如当营养物质发生变化或新物种进入时会发生什么——并观察社区如何适应。”
模拟结果表明，在这些社区中合作是有回报的。“我们发现，通过交换代谢产物互相帮助的细菌创建了更加稳定和混合良好的社区，”同样是Mofrad实验室博士生的共同第一作者Andrew Dickson说。
“即使在环境变化或引入新细菌物种的情况下，这些合作的细菌关系仍然保持稳定。这种韧性有助于解释为什么健康的肠道社区能够在长时间内保持稳定。”
也许最令人惊讶的发现之一是与结构有关。研究人员发现，肠道细菌的物理排列与其种类和数量一样重要。
“混合良好且合作的社区似乎比分离且竞争的社区更能保护肠道屏障并抵抗有害细菌的入侵，”Dickson说。“这一发现表明，细菌的空间组织和相互作用方式对于肠道健康至关重要。”
这项工作的意义广泛——从改善炎症性肠病的治疗方法到提高粪便移植的有效性，再到寻找对抗抗生素耐药感染的新策略。
“通过理解肠道微生物的社会规则，”Mofrad说，“我们可以设计更聪明的方法来帮助有益社区繁荣，并控制有害社区。”
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