10月25日，發(fā)表在《自然-化學(xué)》上的一項最新研究成果表明，“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，每克土壤中微生物的數(shù)量可達(dá)上百億個、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數(shù)量級。

受土壤結(jié)構(gòu)及組成成分的啟發(fā)，研究團(tuán)隊開發(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，豐富病理條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)隊在材料領(lǐng)域的又一創(chuàng)新突破。

那么，如何證實研究成果對腸道微生物具有調(diào)節(jié)作用呢？

為此，研究團(tuán)隊建立了一個腸道微生物發(fā)生紊亂的小鼠模型，小鼠“吃”掉研究團(tuán)隊開發(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小鼠模型治療實驗，證實對腸道微生物群的調(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應(yīng)用領(lǐng)域，一個是促進(jìn)微生物的生長并提高微生物合成生物基化學(xué)品的效率，另一個調(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。