新的计算方法：预测益生菌在不同生长条件下的相互作用

谷禾健康

益生菌可以产生有益的维生素、消化酶、必需氨基酸、免疫调节和抗菌代谢产物，从而促进人体健康，预防肠道炎症性疾病、自身免疫性疾病和胃肠道感染。其宝贵特性已得到健康行业、医疗专业人士和公众的认可。

比起单菌株益生菌，多菌株益生菌在改善肠道微生物群稳定性和宿主健康更具优势。然而，总的来说，尚不清楚不同菌株会在多大程度上合作或竞争资源，以及共同生物膜微环境的建立如何影响它们的相互作用。需要新的方法来设计合成益生菌联合体，以克服单一菌株配方的局限性。

罗伊氏乳杆菌Lactobacillus reuteri 和 布拉酵母菌Saccharomyces boulardii是两种重要的益生菌。

罗伊氏乳杆菌L. reuteri是一种革兰氏阳性杆菌，可以抑制病原微生物的定植并改善宿主共生微生物群组成的平衡，减少促炎细胞因子的产生，可以加强肠道屏障功能。关于罗伊氏乳杆菌详见：认识罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)

布拉酵母菌S. boulardii是一种对胃环境有抵抗力并在低 pH 条件下具有良好生存能力的酵母。它带来肠道屏障功能的改善、病原体竞争排斥、抗菌肽的产生、免疫调节和营养效应。

本文介绍和验证了一个系统的方法来描述微生物在多种生长条件下的相互作用，该方法将共培养分析与代谢的基因组规模建模和多变量数据分析相结合，并将其应用于L. reuteri 和 S. boulardii这两种益生菌之间的相互作用，表征它们产生有益于人类健康的化合物的潜力。

结果表明，这些菌株可以建立一种混合的合作-拮抗相互作用，最好的解释是争夺共享资源，个体交换增加，但氨基酸和短链脂肪酸的净产量通常减少。

方 法

整个试验方法主要分为三个部分：

• 微生物培养与生化测定实验
• 基因组尺度代谢模型重建
• 对得到的数据进行多元统计分析

▼ Part.1  微生物培养与生化测定实验

使用的菌株分别是

• Lactobacillus reuteri DSM20016(DSMZ，德国)
• Saccharomyces boulardii(Swiss Bioenergetics，瑞士)

同时准备两种不同的培养基用于微生物培养，分别为tryptone soya broth(TSB)培养基和含0.4%葡萄糖的M9最小培养基。

为了测试菌株在不同生长条件下对生态相互作用(单一培养或混合培养)的影响，同时制作了含有10ml(浮游培养物)或2ml(生物膜培养物)的培养液。

根据光密度、CFU数量和一组相关代谢物的浓度，对每个培养物进行长期监测。

生化测定使用生化检测试剂盒分别测定培养基中的代谢物，葡萄糖、甘油、琥珀酸盐、乙酸盐、乙醇、短链脂肪酸、L-氨基酸和氨水平。

▼ Part. 2 基因组规模模型重建

将观察到的代谢活动扩展到基因组规模，对两例菌株及微生物群和生物膜发展采用了专用的建模策略。

代表混合培养的微生物群落基因组尺度代谢模型（简称，GSMM模型）是通过 COBRA 工具箱中的 createMultipleSpeciesModel 函数创建的。

结果是创建了一个共同的细胞外隔间，其中单个GSMMs被封装，并与环境共享边界代谢物交换，有效的模拟了交叉喂养和营养竞争。而为了模拟再现实验观察到的菌株在不同生长模式下的代谢活动，引入了群落生物量伪反应，定义如下:

μ LR和μ SB表示通过L. reuteri和S. boulardii的单个生物质假反应的通量。

文章中为L. reuteri菌株自动化构建了一个新GSMM模型。新生成的模型包含了精选模型中54%的反应和69%的代谢物，几乎将反应数量增加了一倍，引入的43%的代谢物只有2.4%的通量不一致反应。

对于S. boulardii菌株，使用的是现有的iMM904模型，这是一个经过验证的酿酒酵母GSMM模型。

为了全面了解每种条件下的代谢潜能，使用通量采样充分探索可实现的代谢状态。

▼ Part. 3 多元统计分析

使用Matlab R2017b和R3.5软件对数据进行了统计分析，主要有PCA、PLSCA和聚类分析。

结果

★ 1.  L.reuteri和S. boulardii的生态相互作用

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观察在单一培养和混合培养下分别以浮游模式和生物膜模式生长时的干重动态，如下图：

结果表示：

◆ S. boulardi菌株在6h时浮游模式生长得更快更好

◆ L. reuteri菌株在48h时形成了更好的生物膜

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当菌种一起生长时，两个菌株最终时间点的CFU浓度发生了显著变化，如下图：

结果表示：

◆ L. reuteri 的浮游生长模式在混合培养中急剧下降

◆ S. boulardi 的浮游生长则受到了积极的影响

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分析两种菌株生长模式的潜在机制

结果表示：

◆ S. boulardi 是共生长的受益者

◆ L. reuteri 受到抑制

例如：S. boulardi 可能受益于L. reuteri 菌株产生的糖，同时 L. reuteri 可能会受到 S. boulardi菌株生长代谢的伤害。

例如：S. boulardi 生长耦合离子交换或有机酸的产生可能引发环境pH值降低，这可能在多个功能水平上影响 L. reuteri 的代谢。

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在代谢水平上也观察到单一培养和混合培养之间存在的一些差异，如下图：

例如，M9混合培养6h的氨消耗量是相应的单一培养的近7倍。

还有，在浮游和生物膜混合培养中，乙酸和琥珀酸的形成大约多两倍。统计值如图D所示。

★ 2. 评估多菌株群落的基因组代谢潜力

上述生化数据表明，在乳酸菌-酵母组合中，乙酸盐和琥珀酸盐的产量增加，但试剂盒所能测的代谢物毕竟有限。

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为了全面估计未直接测量的代谢潜能，采用了如方法所述的基因组建模。

图A 分别为使用实验测量数据和基于计算机建模预测生成的数据的PCA分析结果， 与实验测量结果表现一致，只是在建模产生的数据中更加放大了复杂培养基中的共培养物与各自的单一培养物之间的鸿沟。研究人员因此有理由假设，在广泛的水平上，这种模式也发生在体外。

图B 观察到不同条件导致的各代谢物的产出和消耗变化，如模型预测了S. boulardi的生物素分泌，当使用最小培养基时，生物素分泌在生物膜模式下减少，而在复杂培养基中增加。类似地，多菌株环境与最小培养基中生物素产量的减少有关，而在复杂培养基中观察到相反的趋势。

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为了评估模型预测的可信度，同时再现上述结果，研究人员测量了不同条件下的总氨基酸分泌率，如下图显示：

尽管模型通量相对于实验值些许膨胀，但趋势是一致的，特别是与 S. boulardi 菌株相比，混合培养中总氨基酸产量的下降。因此，在所有条件下，S. boulardi 产生氨基酸的速率最高，但生物膜也与这种速率的大幅降低有关。

★ 3. 推断菌株对不同生长条件的特异性反应

图A应用PLSCA分析，重点研究了菌株水平的代谢交换率与包括菌株、培养基、培养类型和生长方式在内的因素集之间的关系。

可以观察到菌株和培养基类型是对生长归一化代谢物交换影响最大的参数，因为它们位于距离原点最远的地方。

随着作用强度的降低，培养类型(单一培养或共培养)和生长方式(生物膜、浮游)也随之改变。其中，培养类型的影响比生长模式更强，这突出表明两个物种之间的生态相互作用对它们的代谢物产生有显著影响。

图B展示了与实验因素相关的交换机制，以及与之高度相关的代谢物。

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下图展示了在单一培养和共培养下，各代谢物归一化后的增长率差异，以更好地评估群落建立的影响，并做出更详细的互动机制假设。

可以看到，当在增长率归一化时，许多健康相关化合物与单一培养相比，在共培养中产生得更多。尽管总氨基酸产量下降，但当微生物在一起生长时，这些氨基酸实际上可能会进行大量的交换。

结 论

这是一个综合实验和计算机建模方法来探究生长方式（生物膜vs浮游生长）对生态相互作用（单一培养vs混合培养）的影响的研究。

研究发现，特定微生物代谢物的产生会受到生长模式、生长培养基的组成、微生物种类及其在共培养中的相互作用的显著影响。

研究人员表示通过文中提出的计算方法，可以设计新的益生菌产品，并为代谢工程方法的应用提供科学见解，以优化所需有益代谢物的生产。

这可以提高某些益生菌产品的生物学和商业价值，直接造福于益生菌行业，临床上也有可能为与肠道菌群相关的疾病制定更好的治疗方案，如炎症性肠病、肥胖、2型糖尿病、心血管疾病、自身免疫和神经系统疾病。

参考文献：

Zampieri G, Efthimiou G, Angione C. Multi-dimensional experimental and computational exploration of metabolism pinpoints complex probiotic interactions. Metab Eng. 2023 Jan 28;76:120-132. doi: 10.1016/j.ymben.2023.01.008. Epub ahead of print. PMID: 36720400.