MetaFlowTrain：揭秘微生物间代谢互作的创新利器，开启生态与健康研究新征程

为解决现有研究方法在探究外代谢物介导的生物间相互作用时存在的不足，研究人员开展 MetaFlowTrain 系统的研发及应用研究。结果显示该系统可研究多种生物间代谢互作，揭示土壤调节效应等。其意义在于为多领域研究提供有力工具。

　　在神秘的自然界中，陆地和海洋生态系统里都活跃着各种各样的微生物群落，它们的组成和多样性已被人们有所了解。然而，宿主、微生物和环境之间相互作用的机制却依旧藏在重重迷雾之中。这些相互作用不仅依赖于生物之间的直接接触，还和它们之间的代谢交换密切相关，而这种代谢交换在推动更高级别的生物组织形成，以及生物之间的共存或排斥方面，起着至关重要的作用。

当前，研究人员在研究宿主 - 微生物以及微生物 - 微生物之间的相互作用时，常用的方法是在单隔室无菌系统中混合培养生物。虽然这些方法在解析相互作用的结果和相关机制上有一定作用，但在深入了解生物或群落之间的代谢通量和交换方面，还远远不够。其他研究外代谢物介导的生物间相互作用的方法，比如光环试验（halo assays）、上清液试验（supernatant assays），以及更复杂的双室设置、多孔微板、模块化微流体装置等，也都存在各种各样的问题，有的无法追踪微生物群落或分泌物产生的动态变化，有的不能容纳多种生物，缺乏高通量能力或生物分隔能力，还有很多不能随时间进行非破坏性采样，依赖批量培养，容易破坏生物间自然的通信动态。

为了突破这些困境，德国马克斯?普朗克植物育种研究所（Max Planck Institute for Plant Breeding Research）的研究人员 Guillaume Chesneau、Johannes Herpell 等人开展了一项研究，研发出了 MetaFlowTrain 系统。这项研究成果发表在《Nature Communications》上，为相关领域的研究带来了新的曙光。

研究人员为开展此项研究，主要运用了以下关键技术方法：首先是 3D 打印技术，用于制作微室、连接器等部件，构建 MetaFlowTrain 系统的硬件基础；其次是微生物培养技术，对多种微生物菌株进行培养和准备接种物；然后是代谢组学分析技术，通过靶向和非靶向代谢组学方法，对收集的代谢物样本进行分析；还有高通量测序技术，如对微生物群落进行 16S rRNA 基因和 ITS1 区域的扩增子测序，以研究群落结构变化。

下面来看具体的研究结果：

1. MetaFlowTrain 是一个高度并行化和模块化的流体系统：MetaFlowTrain 系统主要由四个部分组成，包括装有多种液体输入的瓶子、24 通道蠕动泵、模块化微室 “列车” 系统和多个时间输出收集装置。该系统成本低、可重复使用、多通道且模块化，能容纳多种生物。最多可同时使用 24 种不同的液体输入介质，蠕动泵的流速可在 7.3 μL/min 至 7.3 mL/min 之间调节，每个代谢 “列车” 可包含 1 - 6 个 3D 打印微室，且系统可实现多种输出的收集，用于微生物和代谢物分析。
2. MetaFlowTrain 是一个适合收集微生物来源外代谢物的微生物生长系统：研究人员用无菌泥炭提取物作为培养基，在 MetaFlowTrain 系统中培养多种细菌和真菌菌株。结果发现，尽管无菌泥炭提取物在经典 96 孔板中难以促进微生物增殖，但在 MetaFlowTrain 系统中却能支持多种菌株生长。通过对 62 小时后收集的代谢物样本进行代谢谱分析，发现不同菌株的代谢谱存在显著差异，这表明 MetaFlowTrain 系统能够支持不同微生物菌株的生长，并区分它们的外代谢物谱。
3. MetaFlowTrain 揭示土壤调节对 SynCom 结构的影响，并确定外代谢物对植物生长的影响：研究人员将细菌和真菌菌株组装成 15 成员的细菌 - 真菌合成群落（BF SynCom），用不同处理的无菌泥炭提取物冲洗含有 BF SynCom 的微室。结果显示，不同处理的泥炭提取物对微室中细菌群落组成有显著影响，但对真菌群落组成影响不显著。同时，收集的外代谢物对植物生长的测试表明，微生物来源的代谢物对植物发芽和根长有促进作用，但这种作用依赖于泥炭提取物的类型。此外，研究还发现无菌植物的根系分泌物可通过 MetaFlowTrain 系统收集并影响 BF SynCom 的生长。
4. MetaFlowTrain 揭示细菌外代谢物对真菌的强烈抑制活性：研究人员利用 BF SynCom，在由两个微室串联组成的微室 “列车” 中进行实验。结果发现，细菌合成群落（B SynCom）对真菌合成群落（F SynCom）的丰度有显著抑制作用，而 F SynCom 对 B SynCom 的组装没有显著影响。这表明细菌介导的真菌抑制作用主要通过产生抑制性外代谢物实现，且不需要细菌和真菌的物理接触。
5. MetaFlowTrain 验证关键细菌外代谢物对 SynComs 的抑制作用：研究人员使用根微生物群成员 Pseudomonas brassicacearum R401 的野生型（WT）和三突变菌株（phld/pvdy/brpc）进行实验。结果显示，R401 WT 在第一个微室中产生的抑制性外代谢物会阻碍第二个微室中 SynCom 的生长，而三突变菌株由于外代谢物产生受损，对 SynCom 生长的抑制作用明显减轻，这进一步证实了这些抑制性外代谢物与抑制表型之间的因果关系。

在讨论部分，研究人员指出 MetaFlowTrain 系统具有多种优势。它能够有效地容纳多种微生物，包括细菌、真菌和微藻等，以及更复杂的群落，为研究不同生态尺度下生物间的相互作用和对化学信号的响应提供了重要工具。通过该系统，研究人员发现土壤经植物和微生物调节后的细微代谢变化，足以影响微生物群落的组装和外代谢物的产生，进而对植物表型产生显著影响，这表明微生物来源的代谢物可能是具有调节功能的生物活性分子的潜在来源，对医学和农业领域有重要意义。此外，MetaFlowTrain 系统还能通过对生物进行分隔，将复杂的生态系统解构为代谢相连但物理隔离的群落，有助于筛选和鉴定具有新型抗菌活性的微生物和相关分子。同时，该系统能够控制代谢通量的方向，减少培养基消耗的干扰，为研究微生物间相互作用的因果关系提供了有力平台。

然而，MetaFlowTrain 系统也存在一些局限性。它是基于液体的系统，无法考虑自然生态系统中常见的空间和物理异质性；单向流动虽然有助于理解因果关系，但忽略了细胞或生物之间可能存在的双向交换、诱导机制和更复杂的反馈回路；该系统最初并非为连接活体宿主而设计，尽管有概念验证数据表明无菌植物的分泌物可被收集并用于调节 SynCom 生长，但在这方面的应用仍有待进一步探索。

总的来说，MetaFlowTrain 系统为研究外代谢物介导的生物间相互作用提供了一种创新的、多功能的工具，尽管存在一些不足，但它在环境生态学、微生物学、生物技术、植物生物学和化学等多个领域都具有广阔的应用前景，有望推动相关领域的研究取得新的突破。