人體消化道是成千上萬種不同細菌菌株的家園。其中的許多細菌菌株是有益的，而其他的細菌菌株可導致健康問題，比如炎癥性腸病。如今，在一項新的研究中，來自美國麻省理工學院和布羅德研究所的研究人員分離并保存了將近8000種這些細菌菌株的樣本，同時也闡明了它們的遺傳和代謝背景。相關研究結果發表在2019年9月的Nature Medicine期刊上，論文標題為“A library of human gut bacterial isolates paired with longitudinal multiomics data enables mechanistic microbiome research”。

麻省理工學院微生物組信息學與治療學中心主任、麻省理工學院土木與環境工程教授Eric Alm說，這種數據集（Broad Institute-OpenBiome Microbiome Library, BIO-ML）可供其他想要使用它的科學家們使用，應當有助于揭示人體腸道中微生物群體的動態變化，并且可能幫助科學家們開發針對多種疾病的新療法。

Alm說，“在微生物領域有很多令人興奮的東西，這是因為這些細菌與健康和疾病之間存在關聯性。但是，我們無法理解為何會這樣，其機制是什么，以及那些導致它們與疾病存在關聯性的細胞的功能是什么。”

這些研究人員收集了大約90人的糞便樣本長達兩年，這使得他們能夠深入了解微生物群體隨著時間的推移在個體內的變化情況。這項研究的重點是生活在波士頓地區的人們，但是這些研究人員如今正在收集來自全球各地的更多樣本，旨在保存生活在工業化社會中的人們所沒有的微生物類型。

論文共同第一作者、麻省理工學院高級博士后研究員Mathilde Poyet說，“現代技術比以往任何時候都更能讓我們分離出之前無法培養的人類腸道細菌。探索這種遺傳和功能多樣性是令人著迷的---無論我們看到哪里，我們都會發現新的東西。我相信從具有不同生活方式的個體中提取大量不同的細菌來豐富生物庫對于人類微生物組研究的未來進展至關重要。” ”

麻省理工學院研究助理Mathieu Groussin和前博士后研究員Sean Gibbons也是這篇論文的共同第一作者。Ramnik Xavier是哈佛大學醫學院醫學教授，也是布羅德研究所成員，與Alm一起擔任這篇論文的通訊作者。

微生物組動態變化

人類的消化道中有數萬億個細菌細胞，而且雖然科學家們認為這些細菌群體隨著時間的推移會發生變化和演變，但幾乎沒有機會觀察到這一點。借助于收集用于研究和治療目的的糞便樣本的OpenBiome組織，Alm和他在麻省理工學院和布羅德研究所的同事們獲得了來自大約90人的糞便樣本。

在大部分分析過程中，這些研究人員關注的是在大約12個人身上發現的微生物，這些人在長達兩年的時間里提供了糞便樣本。

Alm說，“這是一個獨特的機會，我們認為真正嘗試更徹底地分析和表征這些微生物群體的人將是一大群人。到目前為止，還沒有大量的縱向研究，我們希望將這作為我們研究的重點，這樣我們就可以理解每天發生的變化。”

這些研究人員能夠從占據人類胃腸道的六種主要細菌門中分離出總共7758種細菌菌株。對于其中的3632種細菌菌株，他們對它們的全基因組進行了測序，并且他們還對剩余菌株的部分基因組進行了測序。

分析單個宿主中微生物群體隨時間的變化使得這些研究人員能夠發現不同菌株之間的一些新的相互作用。在一種情形中，他們發現三種相關的普通擬桿菌（Bacteroides vulgatus）菌株在宿主體內共存，所有的這些菌株似乎都是從宿主的一個祖先菌株中分歧出來的。在另一種情形中，細菌Turicibacter sanguinis的一種菌株幾乎在一夜之間完全取代了相同物種的一種相關菌株。

Alm說，“這是我們第一次觀察到到這些真正不同的動態變化。”

群體變異

這些研究人員還測量了糞便樣本中發現的許多代謝物的數量。這一分析顯示氨基酸水平的變化與單個人體內微生物群體隨時間的變化密切相關。然而，不同人群中微生物群體組成的差異與不同水平的膽汁酸密切相關，膽汁酸有助于消化。

這些研究人員并不確切知道是什么導致了這些氨基酸和膽汁酸水平的差異，但是他們說這些差異可能受到飲食的影響---他們希望在未來的研究中探究這一點。他們還在線提供了所有數據，并提供了他們分離的細菌菌株樣本，從而使得其他科學家能夠研究這些菌株的功能及其在人類健康中的潛在作用。

Groussin說，“全面和高分辨率的細菌分離株集合有可能開啟從機制上研究我們的生活方式如何塑造我們的腸道微生物組、新陳代謝和炎癥。我們的目標是為全世界的研究界提供這樣的資源，包括低收入研究機構。”

這些研究人員還開啟了一個更大規模的項目，以便從世界各地更多的人群中收集微生物組樣本。他們特別關注生活在非工業化社會中的代表性不足的人群，這是因為他們的飲食和微生物組與生活在工業化社會中的人的飲食和微生物組有很大不同。 

Alm說，“這可能是因為隨著一直生活在傳統生活方式中的人們開始轉向更加工業化的生活方式，他們可能會失去很多生物多樣性。因此我們要做的主要事情之一是保護它，然后我們可以回過頭來描述它。”