10月25日，發(fā)表在《自然-化學(xué)》上的一項(xiàng)最新研究成果表明，“吃土”也能調(diào)節(jié)腸道微生物組和治療腸炎。

科研團(tuán)隊(duì)受土壤組分啟發(fā)，通過人工合成的方法構(gòu)建由蒙脫土（天然土壤成分，俗稱“觀音土”）、淀粉顆粒和液態(tài)金屬三種組分組成的土壤仿生材料，具有調(diào)控微生物功能的特質(zhì)。這一具有響應(yīng)性和調(diào)節(jié)性功能的新材料，不僅能提高微生物合成化學(xué)品的效率，還能夠調(diào)節(jié)腸道菌群失調(diào)，恢復(fù)腸道微生態(tài)，在生物制造和生物醫(yī)藥領(lǐng)域有著應(yīng)用潛力。

該成果由芝加哥大學(xué)完成，田博之教授為文章通訊作者，林藝良為文章第一作者和共同通訊作者，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所副研究員高翔為文章共同第一作者。

可以指揮微生物的“人造土”

自然環(huán)境中的微生物群落是一個(gè)重要但未被充分研究的領(lǐng)域，土壤被公認(rèn)是地球系統(tǒng)生物多樣性最為復(fù)雜和豐富的環(huán)境，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每克土壤中微生物的數(shù)量可達(dá)上百億個(gè)、種類可達(dá)上百萬種、成千上萬的菌落、超過200米的菌絲等，土壤中原核生物的多樣性比自然界中其他生物物種的總和要大三個(gè)數(shù)量級(jí)。

受土壤結(jié)構(gòu)及組成成分的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新的土壤仿生材料，并構(gòu)建了一種化學(xué)系統(tǒng)，可以讓“加入”該化學(xué)系統(tǒng)的微生物們定植，通過物理刺激的方法，將想要傳遞的信息發(fā)送給該團(tuán)體中的微生物們，原本“清閑”的微生物們接收到信息后便可進(jìn)行創(chuàng)新性工作。

土壤仿生材料可以對(duì)激光、溶劑、外力等進(jìn)行響應(yīng)，使材料從原子到宏觀水平都發(fā)生化學(xué)非均質(zhì)性變化，實(shí)現(xiàn)該化學(xué)系統(tǒng)中不同的組分進(jìn)行化學(xué)再分配、傳感和寫入及擦除的修改，從而發(fā)揮新的功能，科研團(tuán)隊(duì)便可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更多的系列研究。

冰模版法合成多孔土壤仿生材料。研究團(tuán)隊(duì)供圖

“我們使用了自下而上的方法去模擬土壤中的礦物質(zhì)、有機(jī)相以和流動(dòng)相來合成一種新的化學(xué)系統(tǒng)，該化學(xué)系統(tǒng)為一種土壤仿生材料，可以在體外增強(qiáng)微生物代謝和提高生物基化學(xué)品的合成，豐富病理?xiàng)l件下的腸道微生物組多樣性，調(diào)節(jié)體內(nèi)細(xì)菌失調(diào)。”高翔表示。

將納米結(jié)構(gòu)礦物質(zhì)、淀粉顆粒和液態(tài)金屬完美結(jié)合是研究過程的一個(gè)難點(diǎn)，三種元素的比例調(diào)配及功能缺一不可。為此研究團(tuán)隊(duì)使用了3D-X射線熒光光譜和疊層衍射成像來表征構(gòu)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，反復(fù)調(diào)整以確保材料的最優(yōu)效果。

科學(xué)“吃土”可治療腸道疾病

從自然界中無機(jī)和有機(jī)結(jié)合的思考，到創(chuàng)新性地將隨處可見的土壤應(yīng)用到科學(xué)研究中，仿照土壤結(jié)構(gòu)將材料與微生物更好結(jié)合，這是科研團(tuán)隊(duì)在材料領(lǐng)域的又一創(chuàng)新突破。

那么，如何證實(shí)研究成果對(duì)腸道微生物具有調(diào)節(jié)作用呢？

為此，研究團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)腸道微生物發(fā)生紊亂的小鼠模型，小鼠“吃”掉研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的土壤仿生材料后，發(fā)現(xiàn)其紊亂的腸道微生物菌群有所恢復(fù)，并重新建立生態(tài)模型；另外發(fā)現(xiàn)該材料還可以用于治療葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)形成急性的腸炎。通過土壤仿生材料對(duì)小鼠模型治療實(shí)驗(yàn)，證實(shí)對(duì)腸道微生物群的調(diào)節(jié)功能和治療腸炎，說明“吃土”可以治療腸道疾病。

“我們的研究成果主要有兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，一個(gè)是促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)并提高微生物合成生物基化學(xué)品的效率，另一個(gè)調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)，從而達(dá)到治療腸道疾病的效果。”高翔說。