你的身體會(huì)充滿它們 - 在你的腸道，肺部，嘴巴和皮膚上有100萬億個(gè)微生物。你的家與他們一起 - 在廁所和水槽，桌子和椅子，地毯和你的狗。甚至你所站立的地面上還有無數(shù)的細(xì)菌，真菌，原生動(dòng)物，藻類和病毒 - 所有這些都是微觀的，所有這些都是生物群落之間相互作用的環(huán)境。這些社區(qū)以及與之相互作用的環(huán)境被稱為“微生物組”，我們對(duì)它們的理解正在改變我們治療疾病，種植作物和創(chuàng)造日常用品的方式。它正在改變我們對(duì)自然的看法。

賓夕法尼亞州立大學(xué)和農(nóng)業(yè)科學(xué)學(xué)院的科學(xué)家處于微生物組研究的最前沿。他們正在探索人類和動(dòng)物的內(nèi)臟，以了解微生物如何影響健康，他們正在探索土壤，以揭示微生物如何使作物受益。通過這項(xiàng)工作，科學(xué)家們正在認(rèn)識(shí)到地球上微生物生命的復(fù)雜性。他們還在探索這些生物所帶來的潛在利益和挑戰(zhàn)。

人類進(jìn)入微觀領(lǐng)域的旅程開始于1657年，當(dāng)時(shí)住在荷蘭代爾夫特的一位生活者安東尼·范·列文霍克透露，他通過自己創(chuàng)造的簡(jiǎn)單顯微鏡發(fā)現(xiàn)了生活在湖水中的微小“小動(dòng)物”。 。

在給新成立的倫敦皇家學(xué)會(huì)的一封信中，van Leeuwenhoek寫道，這些小動(dòng)物“在我看來是如此之小，以至于我判斷即使這些非常小的動(dòng)物中有100只躺在另一只上面，它們無法到達(dá)一粒粗沙的長(zhǎng)度..'看起來非常精彩。“

Van Leeuwenhoek發(fā)現(xiàn)微生物是人類對(duì)自然界理解的前所未有的轉(zhuǎn)變。突然間，地球上的生命變得更加復(fù)雜和極其奇妙。然而，在350多年后，我們?nèi)匀惶幱诤诎抵?，關(guān)于這些生物中的許多生物是什么以及它們正在做什么。

“取決于你與誰交談，我們可能對(duì)環(huán)境中99%的微生物一無所知，”植物病理學(xué)和環(huán)境微生物學(xué)系教授兼負(fù)責(zé)人Carolee Bull說。但是，她補(bǔ)充說，就像van Leeuwenhoek發(fā)現(xiàn)微生物后發(fā)生的轉(zhuǎn)變一樣，現(xiàn)代科學(xué)革命有望揭示微生物群落的特性和活動(dòng)，這些微生物群體對(duì)我們的生活產(chǎn)生了巨大的影響。

這一次，使這一切成為可能的工具是高通量測(cè)序 - 也稱為新一代測(cè)序。該技術(shù)于2000年首次推出，并且自上個(gè)十年以來僅被廣泛使用，該技術(shù)可以同時(shí)確定來自無數(shù)物種的數(shù)十萬個(gè)DNA分子的核苷酸順序-As，Ts，Gs和Cs。該技術(shù)使人們有可能了解小樣本(例如池塘水)中存在的每種物種的身份。另一方面，簡(jiǎn)單的DNA測(cè)序在其能力方面受到更多限制。

“微生物組的概念并不是特別新，”布爾說。“但是通過高通量測(cè)序，微生物學(xué)的黑盒子終于被照亮了，”Bull說。“它告訴我們，微生物不能單獨(dú)在真空中工作。相反，它們是環(huán)境，其他生物和微生物相互影響和相互作用的社區(qū)的一部分。”

保護(hù)水質(zhì)和恢復(fù)土壤

土壤微生物組是一個(gè)復(fù)雜的研究課題。生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)與管理副教授Mary Ann Bruns說，一茶匙土壤可能含有十億個(gè)單獨(dú)的細(xì)菌細(xì)胞，可能有500,000個(gè)真菌碎片，數(shù)千個(gè)原生動(dòng)物，誰知道有多少病毒。和的細(xì)菌獨(dú)自一人，她補(bǔ)充說，有可能存在10,000至20,000不同的物種。

布倫斯正在使用高通量測(cè)序技術(shù)和其他工具來梳理這種“DNA湯”，就像她所說的那樣，它包含在土壤中。她對(duì)田間規(guī)模的氮循環(huán)微生物的研究符合減少養(yǎng)分向沿海死區(qū)運(yùn)輸?shù)拇缶帧?ldquo;總的來說，施用于作物的肥料中的一半氮不會(huì)被作物吸收，”她說。“相反，它會(huì)滲透到地下水中或在沉積物中流失。大部分氮?dú)庾罱K進(jìn)入墨西哥灣和切薩皮克灣，在那里它破壞了生態(tài)系統(tǒng)。我對(duì)如何在源頭阻止這一過程感興趣，我們?nèi)绾尾拍苁刮覀兊牡适┯煤凸芾矸椒p少浪費(fèi)。“

她說，關(guān)鍵在于尋找節(jié)約氮的植物 - 土壤微生物群落，因?yàn)樗鼈兪峭寥乐写蟛糠逐B(yǎng)分循環(huán)的原因。例如，微生物將銨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，硝酸鹽是最容易丟失的氮。“某些微生物是土壤中導(dǎo)致效率低下的許多生化反應(yīng)的原因，”布倫斯說。“在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方面，我們通過增加一個(gè)保險(xiǎn)金額來解決這個(gè)氮損失的問題。它更便宜，更容易增加，而不是試圖找出如何防止損失。”

好消息是，雖然一些微生物促進(jìn)了土壤中氮的流失，但其他物種能夠從大氣中固定氮并將其保持在原位。使用高通量測(cè)序，Bruns和她的一名研究生描繪了兩種密切相關(guān)的藍(lán)細(xì)菌菌株和幾種非光合細(xì)菌的混合物，這些細(xì)菌在土壤上快速形成生物膜，以減少侵蝕和徑流。她說，這個(gè)“聯(lián)合體”可以添加到農(nóng)業(yè)土壤中，以固定碳和氮，幫助營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)保持原位，從而減少對(duì)氮的額外應(yīng)用和保護(hù)下游環(huán)境免受氮污染的需要。

布倫斯說她希望看到公司對(duì)這些產(chǎn)品感興趣并將其開發(fā)用于農(nóng)業(yè)用途。例如，這些微生物產(chǎn)品可以與修正一起應(yīng)用于回收受損土地，這是微生物組研究提供見解的另一個(gè)領(lǐng)域。Bruns和博士后Claudia Rojas使用新一代測(cè)序技術(shù)，在添加適量的堆肥和石灰后，顯示了重新獲得的礦區(qū)土壤中有益菌根真菌和根瘤菌的增加。

植物病理學(xué)和環(huán)境微生物學(xué)助理教授泰倫斯·貝爾(Terrence Bell)也對(duì)創(chuàng)造可以添加到土壤中以改善其功能的微生物聚生體感興趣。他專注于恢復(fù)由于過度使用化肥和化學(xué)品而失去微生物活動(dòng)的土壤。“一些農(nóng)業(yè)土壤已經(jīng)耗盡了作物生長(zhǎng)所需的必需微生物，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)用化學(xué)肥料處理了很長(zhǎng)時(shí)間，”他說。

通過實(shí)驗(yàn)研究，貝爾和他的一名本科生已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。他們對(duì)土壤施用了不同類型的營(yíng)養(yǎng)改良劑，發(fā)現(xiàn)暴露于大量化學(xué)磷的土壤經(jīng)歷了微生物組組成的變化，包括微生物多樣性的減少，這似乎影響了作物的生長(zhǎng)。

“我們的下一步是弄清楚我們是否可以通過在這些環(huán)境中重新引入微生物多樣性來解決這個(gè)問題，”貝爾說。

與Bruns的研究一樣，該任務(wù)需要使用最新的測(cè)序技術(shù)。“這真的歸結(jié)為可用的工具，而且自從高通量測(cè)序在我們的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用以來，它仍然只有不到十年的時(shí)間，”Bell說。憑借這些技術(shù)，“我們正在關(guān)注功能，”Bruns補(bǔ)充道。“大多數(shù)生物都不致病或致病，它們只是在那里等待合適的條件才能變得活躍。我們的目標(biāo)是了解它并將這些知識(shí)用于我們的利益。”

腸道檢查

人體腸道的環(huán)境包括數(shù)十萬億個(gè)體微生物，總重量接近4.5磅。這些微生物中的許多都與降低患癌癥，抑郁癥，肥胖癥甚至自閉癥的風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。事實(shí)上，“好”的細(xì)菌因其積極的健康影響而變得如此受歡迎，以至于新興的益生菌行業(yè)在2015年獲利超過350億美元。但有些物種與問題有關(guān)。

考慮肥胖。僅在美國，34%的成年人和15%至20%的兒童和青少年肥胖。近年來，研究人員和臨床醫(yī)生一直在轉(zhuǎn)向腸道微生物組，試圖更好地理解這個(gè)問題。糞便物質(zhì)是50%的細(xì)菌。微生物必須發(fā)揮重要的代謝作用。

獸醫(yī)和生物醫(yī)學(xué)科學(xué)副教授安德魯帕特森已經(jīng)了解了細(xì)菌如何影響肥胖和肥胖相關(guān)的代謝疾病，即II型糖尿病和非酒精性脂肪肝病。例如，在他的研究中，他注意到給予tempol(一種通常用于保護(hù)細(xì)胞免受輻射損傷的藥物)的體重明顯低于未給藥的小鼠。為了進(jìn)一步調(diào)查，他和他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們給小鼠喂食高脂肪飲食并給予他們藥物tempol。他們發(fā)現(xiàn)這些小鼠的體重明顯低于喂食高脂肪飲食但未給予tempol的小鼠。

Patterson確定tempol可能會(huì)減少小鼠腸道中乳酸桿菌和梭菌屬細(xì)菌的數(shù)量。當(dāng)這些細(xì)菌減少時(shí)，一種特定的膽汁酸 -被稱為tauro-beta muricholic acid-增加。“出于某種原因，細(xì)菌代謝膽汁酸作為一種保護(hù)機(jī)制，或作為一種清除生長(zhǎng)所需養(yǎng)分的方法，”他說。