膳食纖維對人體健康有著深遠(yuǎn)的影響，高膳食纖維攝入可降低肥胖、炎癥性腸病、結(jié)直腸癌等多種疾病的風(fēng)險(xiǎn)。越來越多的證據(jù)表明，對腸道菌群的調(diào)控是膳食纖維發(fā)揮其對人體健康有益作用的重要途徑。值得注意的是，腸道菌群不是許多各自獨(dú)立的微生物湊在一起，而是一個(gè)在資源競爭、營養(yǎng)共生和群體感應(yīng)等相互作用機(jī)制下形成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。因此，在復(fù)雜環(huán)境中對特定微生物進(jìn)行調(diào)節(jié)，通常會牽動整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，菌群微生物的應(yīng)答變化很大程度上取決于微生物之間存在的競爭、互惠等生態(tài)互作關(guān)系（圖1）。

研究團(tuán)隊(duì)通過生態(tài)動力學(xué)模型，解析膳食纖維干預(yù)下腸道菌群應(yīng)答的生態(tài)學(xué)機(jī)制。以廣義Lotka-Volterra（gLV）模型為框架，擬合小鼠腸道菌群在膳食纖維干預(yù)后的動態(tài)變化，推斷膳食纖維干預(yù)下生長速率有顯著響應(yīng)的關(guān)鍵微生物和不同微生物之間的互作關(guān)系。通過這一方法，該團(tuán)隊(duì)成功推斷了小鼠腸道菌群中膳食纖維代謝功能的關(guān)鍵響應(yīng)菌，以及關(guān)鍵微生物之間的互作關(guān)系。當(dāng)關(guān)鍵微生物缺失時(shí)，膳食纖維對腸道菌群的調(diào)控作用可能會“失效”（圖2）。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將生態(tài)學(xué)模型用于分析人體腸道微生物組在膳食纖維干預(yù)下的時(shí)序數(shù)據(jù)，成功推斷出具有菊粉代謝功能的青春雙歧桿菌。此外，發(fā)現(xiàn)了青春雙歧桿菌與糞便擬桿菌之間存在的競爭關(guān)系，并通過體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證（圖3）。

針對膳食纖維干預(yù)下腸道菌群的個(gè)性化應(yīng)答現(xiàn)象，研究結(jié)合時(shí)序數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型，深入解析腸道菌群的生態(tài)學(xué)規(guī)律。該研究揭示了微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)對于理解與預(yù)測腸道菌群應(yīng)答的重要性，為開發(fā)生態(tài)層次的靶向調(diào)控手段奠定了理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中國博士后科學(xué)基金及深圳合成生物創(chuàng)新研究院的資助。

圖1 微生物生態(tài)對腸道菌群應(yīng)答的影響

圖2 利用生態(tài)動力學(xué)模型解析小鼠腸道菌群對菊粉干預(yù)的響應(yīng)

圖3 人體腸道菌群在菊粉干預(yù)下的關(guān)鍵菌和互作驗(yàn)證