人体肠道内有数百种不同的细菌，它们统称为肠道微生物组（gut microbiome）。它们对健康的一大益处是保护肠道免受病原菌（致病微生物）的入侵，这些病原菌可能会引起有害的感染。但到目前为止，人们还不清楚这种保护作用是如何产生的，也不清楚某些细菌物种是否比其他细菌物种发挥着更重要的作用。

为了研究这个问题，来自英国牛津大学和法国斯特拉斯堡大学的研究人员在一项新的研究中对 100 种不同的肠道细菌菌株进行了单独和组合测试，以了解它们限制两种有害病原菌---肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）和肠道沙门氏菌（Salmonella enterica）生长的能力。相关研究结果发表在2023年12月15日的Science期刊上，论文标题为“Microbiome diversity protects against pathogens by nutrient blocking”。

单种肠道细菌限制这两种病原菌传播的能力很差。但当多达 50 个肠道细菌物种的群落一起培养时，这两种病原菌的生长效率比任何单种肠道细菌培养时低 1000 倍。无论这些肠道细菌是在小瓶中一起培养，还是在“无菌”小鼠（实验开始时小鼠肠道中没有常驻细菌）中培养，这种“群落保护效应（community protection effect）”都可观察到。

论文共同通讯作者、牛津大学生物系和生物化学系的Kevin Foster教授说，“这些结果清楚地表明，定殖抵抗（colonization resistance）是微生物组群落的集体属性；换句话说，单一菌株只有在与其他菌株组合使用时才具有保护作用。”

然而，这些作者发现这些细菌群落的成员---而不仅仅是整体多样性对保护水平有着至关重要的影响。他们发现，某些肠道细菌物种对基于群落的保护至关重要，尽管这些肠道细菌物种本身几乎不提供保护。

这些作者证实保护性细菌群落通过消耗病原菌所需的营养物来阻止病原菌生长。通过评估不同细菌物种的基因组，他们发现最具保护性的细菌群落是由蛋白组成与病原菌物种高度相似的细菌物种组成的。他们还利用代谢分析（metabolic profiling）证实保护性细菌物种对碳源的需求与病原菌相似。

微生物组的多样性通过营养阻断来抵御病原菌定植。图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.adj3502。

论文共同第一作者、牛津大学生物系和生物化学系的Frances Spragge补充说，“至关重要的是，虽然微生物组多样性的增加提高了抵御这些病原菌的可能性，但细菌群落与病原菌之间在营养利用方面的重叠是关键。在群落保护中起关键作用的某些细菌物种与病原菌的代谢有高度重叠，因此对营养物的需求也类似。”

这些作者利用这种营养阻断原理来预测细菌群落对一种不同病原菌---抗菌剂耐药性大肠杆菌菌株的保护作用是强还是弱。在实验测试中，与大肠杆菌菌株营养重合度最高的细菌群落在减少这种病原菌数量方面的效果是预测的保护作用较弱的细菌群落的100倍。

根据这些作者的说法，这些新见解可能经开发后变成新的策略：通过优化肠道微生物组群落来对抗有害的肠道病原菌。它们还可能解释了为什么个体在服用抗生素后更容易感染肺炎克雷伯菌等物种，因为抗生素会降低肠道微生物组中的细菌物种多样性。

论文共同第一作者、牛津大学生物系和生物化学系的Erik Bakkeren 博士补充说，“我们的研究支持了更多样化的微生物组对健康有益的一般假设。这为优化微生物组的组成来阻止有害健康的细菌物种的目标带来了希望。”

参考资料：

Frances Spragge et al. Microbiome diversity protects against pathogens by nutrient blocking. Science, 2023, doi:10.1126/science.adj3502.

Study shows diverse gut bacteria communities protect against harmful pathogens by nutrient blocking

https://www.ox.ac.uk/news/2023-12-15-study-shows-diverse-gut-bacteria-communities-protect-against-harmful-pathogens