科学家如何窃听微生物以彻底改变研究

加州大学圣地亚哥分校的研究人员与世界各地的科学家进行了大规模合作，开发了一种新的搜索工具，以帮助研究人员更好地了解微生物的新陈代谢。 微生物是几乎所有生物和环境系统中的关键参与者，但目前用于研究微生物代谢的技术的局限性使得难以解码它们的相互作用和活动。

这项新研究于2024年2月5日发表在《自然微生物学》杂志上，直接解决了这些局限性，最终可能会改变我们对人类健康和环境的理解。

微生物研究的飞跃

“人类是行走的生态系统，其中微生物的数量远远超过我们，但我们对微生物产生的代谢物知之甚少，”高级研究作者Pieter Dorrestein博士说，他是加州大学圣地亚哥分校医学院药理学和儿科教授，加州大学圣地亚哥分校斯卡格斯药学和制药科学学院教授。 “这项技术使我们能够在没有任何先验知识的情况下将微生物与它们产生的代谢特征相匹配，这代表了我们研究微生物及其与人类和生态系统的复杂关系的能力的重大飞跃。

科学家称之为microbeMASST的开创性工具是由加州大学圣地亚哥分校协作微生物代谢物中心的科学家开发的，该中心是NIH支持的一项计划，旨在建立一个国际策划的微生物代谢组学数据库，以帮助研究人员研究微生物与人类之间的复杂相互作用。

对人类健康和环境的影响

有益微生物在人体健康中发挥着关键作用，它们在身体的某些部位定植，包括皮肤，它们保护我们免受外部病原体的侵害，以及肠道，它们有助于营养吸收和调节免疫系统等基本功能。我们体内微生物群落的破坏与多种疾病有关。

“这一资源将帮助我们从机制上询问微生物组在肝病、炎症性肠病、糖尿病、动脉粥样硬化等健康状况中的作用，”Dorrestein补充道。

微生物也是重要环境过程的中心，例如碳和氮循环。当参与这些过程的微生物群落被破坏时，生态系统可能更难循环养分，导致广泛的破坏性生态失衡。

由于它们在环境中的关键作用以及它们与大型生物体的相互作用，微生物的新陈代谢几乎是生物学所有方面的驱动力。然而，微生物群落的巨大代谢潜力在现代实验中往往被忽视，现代实验通常只用广阔的视角来看待微生物的代谢。

“在分子水平上研究微生物的挑战之一是，除非你已经知道你在寻找什么，否则很难判断哪些微生物正在产生哪些分子，”第一作者Simone Zuffa说，他是与Dorrestein合作的博士后研究员。“如果你把微生物群落想象成拥挤的聚会，有很多人在说话，我们目前的实验只能记录声音，但我们想找到一种方法来解读音频，弄清楚谁在说什么。

microbeMASST：一种开创性的工具

为了帮助产生新的搜索工具，研究人员称之为microbeMASST，来自加州大学圣地亚哥分校协作微生物代谢物中心的研究人员从来自世界各地的科学家收集的60,000个不同的微生物样本中收集了超过1亿个数据点。该数据库是从社区贡献和元数据管理中精心策划的，包括来自植物、土壤、海洋、湖泊、鱼类、陆生动物和人类的微生物。

通过将实验样品与这个庞大的单个微生物库进行交叉引用，microbeMASST可以检测该样品中存在哪些微生物。

“没有现有的工具可以做到这一点，而我们的工具可以在几秒钟内完成，”Zuffa补充道。

生命科学的变革潜力

由于microbeMASST可以在没有任何先验知识的情况下识别样品中的微生物，因此研究人员相信该技术的应用将扩展到生物学的各个领域，例如水产养殖，农业，生物技术和研究微生物介导的健康状况。

“我们预计microbeMASST将成为生命科学研究界的变革性资源，”Dorrestein说。“此外，随着社区收集更多数据供系统参考，该工具只会随着时间的推移而改进。”