近日發表于《自然-化學》的一項最新研究成果表明，“吃土”也能調節腸道微生物組和治療腸炎。
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科研團隊受土壤組分啟發，通過人工合成的方法構建由蒙脫土（天然土壤成分，俗稱“觀音土”）、淀粉顆粒和液態金屬3種組分組成的土壤仿生材料，具有調控微生物功能的特質。這一具有響應性和調節性功能的新材料，不僅能提高微生物合成化學品的效率，還能夠調節腸道菌群失調，恢復腸道微生態，在生物制造和生物醫藥領域具有應用潛力。
美國芝加哥大學教授田博之為論文通訊作者，新加坡國立大學助理教授林藝良為第一作者和共同通訊作者，中科院深圳先進技術研究院合成生物學研究所副研究員高翔為共同第一作者。
可以指揮微生物的“人造土”
自然環境中的微生物群落是一個重要但未被充分研究的領域。土壤被公認是地球系統生物多樣性最為復雜和豐富的環境。據統計，每克土壤中微生物的數量可達上百億個、種類可達上百萬種，有成千上萬的菌落、超過200米的菌絲等。土壤中原核生物的多樣性比自然界中其他生物物種的總和大3個數量級。
受土壤結構及組成成分的啟發，研究團隊開發出一種新的土壤仿生材料，并構建了一種化學系統，可以讓“加入”該化學系統的微生物定植。通過物理刺激的方法，將想要傳遞的信息發送給該團體中的微生物，原本“清閑”的微生物接收到信息后便可進行“創新性工作”。
土壤仿生材料可以對激光、溶劑、外力等進行響應，使材料從原子到宏觀水平發生化學非均質性變化，實現該化學系統中不同組分的化學再分配、傳感和寫入及擦除修改，從而發揮新的功能。科研團隊便可在此基礎上進行更多的系列研究。
“我們使用了自下而上的方法模擬土壤中的礦物質、有機相和流動相來合成一種新的化學系統。該化學系統為一種土壤仿生材料，可以在體外增強微生物代謝和提高生物基化學品的合成，豐富病理條件下的腸道微生物組多樣性，調節體內細菌失調。”高翔表示。
將納米結構礦物質、淀粉顆粒和液態金屬完美結合是研究過程的一個難點，3種元素的比例調配及功能缺一不可。為此，研究團隊使用了3D-X射線熒光光譜和疊層衍射成像來表征構建系統的結構和功能，反復調整以確保材料的最優效果。
科學“吃土”治療腸道疾病
從自然界中無機和有機結合的思考，到創新性地將隨處可見的土壤應用到科學研究中，仿照土壤結構將材料與微生物更好結合，這是科研團隊在材料領域的又一創新突破。
那么，如何證實研究成果對腸道微生物具有調節作用呢？
為此，研究團隊建立了一個腸道微生物發生紊亂的小鼠模型。小鼠“吃”掉研究團隊開發的土壤仿生材料后，其紊亂的腸道微生物菌群有所恢復，并重新建立生態模型。他們還發現，該材料可以用于治療葡聚糖硫酸鈉誘導形成的急性腸炎。用土壤仿生材料對小鼠模型進行治療實驗，證實其對腸道微生物群有調節功能并能治療腸炎，說明“吃土”可以治療腸道疾病。
“我們的研究成果主要有兩個應用領域，一是促進微生物生長并提高微生物合成生物基化學品的效率；二是調節腸道微生態，從而達到治療腸道疾病的效果。”高翔說。（記者 刁雯蕙 通訊員 趙梓杉）
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41557-022-01064-2
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