中科院深圳先進院戴磊團隊解析膳食纖維干預下腸道微生物組的生態應答

中科院深圳先進院戴磊團隊解析膳食纖維干預下腸道微生物組的生態應答

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2022年5月21日,中國科學院深圳先進技術研究院合成微生物組學研究中心、深圳合成生物學創新研究院戴磊課題組在 ISME Journal 上發表題為: Ecological dynamics of the gut microbiome in response to dietary fiber 的研究論文。

研究團隊基於腸道微生物組的時序數據,解析膳食纖維調控下腸道菌群的動態變化,為系統性理解腸道微生物組的生態學規律以及開發相應的精準營養調控手段奠定了重要基礎。團隊成員劉紅賓博士和美國紀念斯隆-凱特琳癌症中心廖辰博士為共同第一作者。

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膳食纖維 對人體健康有著深遠的影響,高膳食纖維攝入量可降低肥胖、炎症性腸病、結直腸癌等多種疾病的風險。越來越多的證據表明,對腸道菌群的調控是膳食纖維發揮其對人體健康益處的重要途徑。

值得注意的是,腸道菌群並不是許多各自獨立的微生物湊在一起, 它是一個在資源競爭、營養共生和群體感應等相互作用機制下形成的複雜生態系統。因此,在複雜環境中對特定微生物進行調節,通常會牽動整個生態系統,菌群微生物的應答變化很大程度上取決於微生物之間存在的競爭、互惠等生態互作關係 (圖1) 。

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圖1:微生物生態對腸道菌群應答的影響

研究團隊通過生態動力學模型,解析膳食纖維干預下腸道菌群應答的生態學機制。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後的動態變化,推斷膳食纖維干預下生長速率有顯著響應的關鍵微生物和不同微生物之間的互作關係。通過這一方法,該團隊成功推斷了小鼠腸道菌群中膳食纖維代謝功能的關鍵響應菌,以及關鍵微生物之間的互作關係。當關鍵微生物缺失時,膳食纖維對腸道菌群的調控作用可能會“失效” (圖2) 。

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圖2:利用生態動力學模型解析小鼠腸道菌群對菊粉干預的響應

研究團隊進一步將生態學模型用於分析人體腸道微生物組在膳食纖維干預下的時序數據,成功推斷出具有菊粉代謝功能的青春雙歧桿菌。此外,發現了青春雙歧桿菌與糞便擬桿菌之間存在的競爭關係,並通過體外培養實驗進行了驗證。比如,通過向腸道菌群中補充青春雙歧桿菌,可以觀察到糞便擬桿菌豐度的下降 (圖3) 。

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圖3:人體腸道菌群在菊粉干預下的關鍵菌和互作驗證

針對膳食纖維干預下腸道菌群的個性化應答現象,研究結合時序數據與數學模型,深入解析腸道菌群的生態學規律。研究揭示了微生物生態網路對於理解與預測腸道菌群應答的重要性,為開發生態層次的靶向調控手段奠定了理論基礎。

PI與課題組簡介

戴磊 博士,研究員,中科院深圳先進技術研究院合成生物學研究所,合成微生物組學研究中心主任。國家重點研發計劃青年項目負責人,入選《麻省理工科技評論》中國區“35歲以下科技創新35人”。

戴磊課題組的主要研究方向為宿主共生微生物組的生態和進化。運用定量生物學、合成生物學的工具,對微生物組的結構和功能進行精準解析和調控,致力於解決人體健康、農業生産等重大問題。

擬招聘具有微生物學、合成生物學、生物資訊學等相關研究背景博士後1-2名,客座學生1-2名。有意申請者請將個人簡歷以郵件方式發送至 lei.dai@siat.ac.cn。

實驗室主頁: 

http://www.leidailab.cn/

文章連結

https://www.nature.com/articles/s41396-022-01253-4

  

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