加州大学圣迭戈分校研究人员开发了一种新工具，用于理解和修改任何微生物组，包括人类微生物组。这种方法被称为"微生物交互和生态位确定"(MIND)，能够准确预测微生物在复杂群落中的竞争方式，并识别其特定的营养偏好。相关发现于4月17日发表在《细胞》杂志上，有望加速将微生物组科学从实验室转化为临床应用，为高度靶向的微生物组疗法铺平道路，例如作为传统抗生素的替代方案。
迄今为止，建立特定微生物与某些疾病之间的因果联系一直难以实现，这阻碍了基于微生物组的疗法开发。传统上，微生物组科学更像是一个人口普查：研究人员可以观察肠道或其他环境中存在哪些细菌，但他们缺乏预测这些细菌如何相互作用或改变特定微生物丰度的手段。
"微生物组研究总体上一直非常描述性，我们无法操控微生物组，因为我们不了解它们是如何组装的、如何维持的以及内部的动态变化，"资深作者、加州大学圣迭戈分校医学院儿科教授、舒坚-吉恩莱生物工程系兼职教授、雅各布斯工程学院微生物组创新中心成员Karsten Zengler博士说。
MIND工具如何解读微生物
MIND方法将该领域从简单描述微生物组转变为积极精准地控制它们。根据Zengler的说法，控制微生物组需要了解细菌需要什么，以及它们为了获取这些资源正在与哪些其他微生物竞争。
MIND通过分析微生物如何将其有限资源分配给将信使RNA(mRNA)翻译成功能性蛋白质的过程来解读这一点，这是细胞最耗能的过程。通过使用称为核糖体谱系分析(ribosome profiling)的技术，测量微生物在任何给定时间正在积极制造的特定蛋白质，该工具揭示了它偏好的确切营养物质以及如何分配其能量。
如果两种不同类型的细菌偏好相同的营养物质，MIND会将它们标记为竞争者。
通过将这种方法应用于数千种微生物，研究人员可以绘制出复杂的竞争交互图谱，并预测当物种被添加或移除时群落将如何响应。
在多样化微生物组中的实际测试
掌握了这种交互图谱后，研究人员通过引入特定营养素(益生元)，如糖和氨基酸，来选择性地喂养和促进某些微生物，使它们能够胜过其他微生物并重塑几种环境中的微生物群落，从而测试了这些预测：
- 合成微生物群落：在一个16种成员的微生物群落中，MIND准确预测了竞争性交互，并确定了哪些特定微生物会从特定底物的添加中受益。
- 土壤微生物组：MIND准确预测了哪些营养素会促进有益细菌并自然排挤其竞争对手。
- 人类微生物组：该工具确定了双歧杆菌等有益婴儿肠道细菌的首选营养素，指导了精确的益生元(如糖和氨基酸等营养素)和益生菌(微生物)干预，选择性地促进目标细菌，同时抑制竞争对手。
- 活体小鼠模型：MIND预测一种有益的肠道细菌，粪杆菌(Faecalibaculum rodentium)，在乳糖存在下会茁壮成长。给小鼠补充乳糖选择性地富集了这种细菌，证明该方法在活体动物中安全精确地发挥作用。
"能够证明我们不仅可以在烧瓶中做到这一点，还可以在活体有机体中实现，这令人惊叹，"Zengler说。他认为这些发现对治疗传染病具有重大意义，因为它能够实现快速、经济有效且精准的益生元干预。
超越抗生素的新途径
例如，许多健康成人天然携带潜在危险的细菌，如艰难梭菌(Clostridioides difficile)或金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)，但从未生病，因为有益微生物使它们保持在可控范围内。使用MIND识别这些天然竞争者可以使临床医生给予益生元，将病原体水平降低到足以预防感染的程度。这提供了一种额外的方法，超越了广谱抗生素的使用，而广谱抗生素也可能破坏有益细菌并导致抗生素耐药性。
"这种方法的好处是，你利用了在数百万年进化中形成的细菌之间的竞争性交互，因此不太可能出现耐药性，"Zengler说。
他指出，选择性地给有益细菌喂食益生元通常优于引入活体益生菌细菌，因为许多菌株无法成功稳定或大规模生产，并且经常难以整合到现有的微生物组群落中。
而且，由于MIND依赖于操控自然存在的微生物，而不是开发新药物，这些疗法将更具成本效益，面临更少的监管障碍，并且可以更快地进入临床应用。
"目前，我们正在进行小型临床安全试验，人们服用我们确定为益生元的特定营养素，以预防由病原细菌引起的微生物组失衡，"Zengler说。
在气候和农业方面的更广泛应用前景
除了人类健康之外，MIND方法还有多种其他应用，包括通过促进增强土壤碳储存的微生物来应对气候变化，以及提高植物对病原体的抵抗力。
"这确实为微生物组研究开辟了许多可能性，"同时也是加州大学圣迭戈分校斯克里普斯海洋研究所土壤中心的教员主任Zengler说。"我们不仅可以描述微生物组的重要性，还可以主动调整微生物组组成以获得更好的结果。"
该研究的其他合著者包括：Oriane Moyne、Grant J. Norton、Mahmoud Al-Bassam、Chloe Lieng、Deepan Thiruppathy、Manish Kumar、Eli Haddad、Yuhan Weng、Manuela Raffatellu和Livia S. Zaramela，均来自加州大学圣迭戈分校。
出版详情
Oriane Moyne等人，《预测竞争和底物偏好以实现靶向微生物组改变》，《细胞》(2026)。DOI: 10.1016/j.cell.2026.03.036
期刊信息：《细胞》
关键概念
宿主-病原体交互
微生物群
胃肠道微生物组
微生物群落
由加州大学圣迭戈分校提供
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