腸道微生物組是一個由生活在人體內的數百至數千種微生物物種組成的生態系統。這些種群影響着我們的健康、生育能力，甚至我們的壽命。但它們首先是如何到達那裡的呢？由卡內基科學研究所的 William Ludington領導的新的合作工作揭示了關於構成我們每個人的腸道微生物群的細菌群落是如何獲得的關鍵細節。這些發現發表在《美國國家科學院院刊》上，對諸如糞便移植和益生菌管理等治療方法有重大影響。
Ludington解釋說：“個人之間的微生物組組成存在着巨大的差異。例如，如果你看一下適應生活在人類胃腸系統中的所有細菌物種的總和，其中大多數不存在於大多數人中。這就是這些腸道微生物種群的難以置信的多樣性。”
包括遺傳學、飲食和環境在內的各種元素的組合促成了微生物組之間的差異。但是，在這些投入和成功在我們的腸道內定居的物種之間並沒有一條直接的關係。每次我們接觸到一種新的微生物時，都有一個偶然因素在起作用，即它是否會被獲得並成為我們腸道生態系統的成員。Ludington和他的合作者開始了解形成這種定植過程的幾率的因素。
儘管許多研究人員已經研究了自然人群中的微生物組構成，但很少有人嘗試使用受控環境來揭示新物種成功加入腸道微生物生態系統的過程。Ludington和他的合作者–西蒙菲莎大學的Eric Jones和David Sivak以及加州大學聖塔芭芭拉分校的Jean Carlson–開發了一個新的生態模型，以了解我們如何獲得屬於我們自己特定腸道群體的特定微生物組合。
在相對不那麼複雜的果蠅微生物組中工作，該團隊顯示，接觸到一種微生物物種並不能保證其成功融入微生物組生態系統中。他們發現，微生物組的狀態，以及現有的微生物組成員物種之間的相互作用，決定了新遇到的細菌是否被加入到這個組合中。
Sivak說：“即使是生活在同一屋檐下並被餵食相同飲食的基因相同的蒼蠅，我們也看到了微生物組組成的變化。”
研究人員隨後利用這些結果建立了數學模型，這些模型可以探究越來越複雜的情況，通過這些情況可以獲得新的微生物組物種，從而導致他們對塑造微生物組生態系統成員的社區因素的突破性理解。
Ludington說：“把微生物組的組成想象成一個大聚會，社會動態決定誰早早離開，誰呆到天亮。”
該論文的第一作者Jones補充說：“細菌定植取決於許多複雜的因素，我們剛剛開始了解。 例如，我們的研究表明，一些物種群體促進了彼此的殖民化，因此更有可能共存。”
這些群體的相互作用對微生物組如何在個人之間傳播有令人興奮的影響，包括醫療專業人員如何推動一個人的微生物組走向理想的組成。
Carlson說：“我們部署的數學方法的好處是，它承認定植是擲骰子，但我們現在能夠將骰子的權重歸結為具有分子基礎的生物互動，而這種生物互動已經被進化所磨練。”
該團隊的發現為定量研究諸如糞便移植和益生菌等療法所依賴的機制提供了一個框架，從而推進了個性化微生物組醫學的最終目標。