人肠道菌群不仅种类复杂，且在肠道中有特异的组织结构，这些组织结构对肠道菌群的功能和宿主的健康具有重要的作用。目前对肠道菌群组成的研究已经比较多，但菌群的空间组织结构研究尚浅。今天给大家分享一篇发表在Nature Communications的最新研究，通过构建体外粘蛋白水凝胶，体外模拟肠道菌群空间组织结构。

期刊：nature communications           

影响因子：16.6

发表时间：2023年6月

一、测序方法

对人肠道中119种常见可培养菌开展全基因组Illumina + Nanopore 测序，分析细菌完成图；培养液宏基因组Illumina测序

二、主要结果

1. 体外微生物群落构建及宏基因组分析

培养分离出人类肠道中普遍存在的123种细菌菌株，进行全基因组测序生成高质量基因组（4种菌已有完整的基因组）（图1A）。将这123种分离菌株合并成单一群落，接种到含有粘蛋白水凝胶（一种载体）的培养液中进行培养，3天传代6次（图1B）。宏基因组测序分析粘蛋白水凝胶以及上清液中的微生物群（图1C）。

图1（A-C）体外微生物群落构建及分析

2. 粘蛋白水凝胶可以增加群落丰富度

在无载体的纯液体培养基培养中，第4代时仅能检测到55株菌，在粘蛋白水凝胶和上清液上分别可检测到75和78株(图1D)，表明有载体的培养更接近体内条件。丰度的增加主要在厚壁菌门（图1E），丰度的变化也发生在菌株水平，有效促进菌株共存。且粘蛋白水凝胶培养菌群在不同条件下表现有菌株丰度变化，可有效模拟菌群的时间空间组成。

图1 （D-E）粘蛋白水凝胶增加了群落丰富度

3. 粘蛋白水凝胶和上清菌群之间存在菌种水平差异

通过比较从同一培养管的粘蛋白水凝胶和上清中采样的亚群，研究菌株水平的空间差异。随着时间的推移，菌株水平出现了不同范围的富集(图2A)，门水平没有明显的时间依赖性(图2B)。密切相关的菌株可以表现出不同的富集表型（图2C)。这表明肠道菌群中存在不同的应变水平空间组织。

图2  载体和上清菌群之间存在菌种水平差异

4. KEGG分析与粘蛋白水凝胶相关的基因

KEGG数据分析显示有244个KO家族在粘蛋白水凝胶上显著富集，主要包括糖基转移酶、差向异构酶、糖还原酶、多糖膜转运蛋白基因等，揭示了与生物膜形成和粘附相关的基因可能在调节肠道微生物群落的物理结构中发挥关键作用。分析还发现菌株在载体上的富集与胞外多糖生物合成基因簇的存在有关（图5）。

图4  KEGG分析结果

图5  菌株在载体上的富集与脂/胞外多糖生物合成基因簇的存在有关

三、实验结论

粘蛋白水凝胶培养的肠道菌群与传统的液体培养等方法相比有显著的不同，可能更有效模拟体内菌群的空间组织结构。研究通过宏基因组分析发现，细菌的粘附相关基因和一些连接基因可能是调控空间组织的重要因素。该方法为深入探究肠道菌群的空间组织和特定基因功能提供了重要的手段。

阅读原文

Culturing of a complex gut microbial community in mucin-hydrogel carriers reveals strain- and gene-associated spatial organization.Nature Communications,2023