存在于多细胞生物体内和体表的所有细菌、病毒和真菌共同构成了其自然微生物群。宿主与这些微生物之间的相互作用显著影响宿主的功能和健康状况。研究人员推测，微生物群在防御病原体方面扮演着重要角色。
基尔大学（Kiel University）的协作研究中心（CRC）1182“元有机体的起源与功能”多年来一直利用多种模式生物（包括线虫秀丽隐杆线虫Caenorhabditis elegans）研究宿主与微生物之间高度复杂的相互作用。
在最近的一项研究中，CRC 1182的研究人员发现了微生物群内分子机制的新见解，这些机制有助于抵御病原体。他们与马克斯·普朗克陆地微生物研究所（Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology）和爱丁堡大学（University of Edinburgh）的科学家合作，发现秀丽隐杆线虫肠道微生物群中的一种保护性假单胞菌属细菌能够生成鞘脂类物质。
这一结果令人惊讶，因为此前认为鞘脂类物质的生产仅限于少数细菌门，而假单胞菌属并不被认为具备生成这些特定分子的能力。
研究人员发现，假单胞菌属使用了一种替代的代谢途径来生成鞘脂类物质，这种途径与其他已知细菌中的鞘脂合成途径有显著不同。他们还证明了由假单胞菌生成的鞘脂类物质在保护宿主肠上皮免受病原体损害方面发挥了关键作用。
假单胞菌生成鞘脂类物质依赖于一个特定的生物合成基因簇，该基因簇形成了这一新型代谢途径所需的酶。有趣的是，在其他与宿主相关的肠道细菌中也发现了类似的基因簇，这表明生成鞘脂类物质的能力可能比之前认为的更加普遍。这表明细菌鞘脂类物质可能在微生物群介导的感染防护中起到核心作用——不仅适用于秀丽隐杆线虫，还可能适用于其他宿主生物。
这项跨学科研究由PD Dr. Katja Dierking（基尔大学进化生态学与遗传学研究小组）领导，并与其他基尔大学研究团队以及国内外合作伙伴合作完成。研究成果最近发表在《自然通讯》（Nature Communications）期刊上。
2019年，基尔研究团队在《当代生物学》（Current Biology）上发表的一项研究表明，秀丽隐杆线虫微生物群的某些成员可以抵御病原体感染。“对于一种假单胞菌属细菌，我们已经知道它能够保护线虫免受感染。然而，我们尚未确定具体涉及的物质和机制。”Evolutionary Ecology and Genetics研究小组的科学家Dr. Lena Peters强调道。
在一项广泛的合作研究中，CRC 1182内部科学家（包括基尔大学教授Christoph Kaleta和Manuel Liebeke）以及外部科学家（包括马尔堡马克斯·普朗克陆地微生物研究所的Helge Bode教授和苏格兰爱丁堡大学的Dominic Campopiano教授）分析了微生物群介导的感染防护的遗传和代谢基础。
通过代谢和转录研究、单分子分析以及质谱技术，研究人员有了惊人的发现：他们证明了假单胞菌属的保护性细菌生成的鞘脂类物质会影响线虫的鞘脂代谢，从而支持宿主对病原体的防御。
“这一发现相对较新，”Peters表示，“通常情况下，细菌会利用宿主生物的鞘脂代谢对其进行有针对性的操纵以促进感染。然而，在我们的研究中，情况正好相反——细菌鞘脂显然主动支持宿主的保护。”
鞘脂类物质是一种类似脂肪的分子，通常在真核生物中发挥重要的结构和调节功能，但在细菌中很少见。在假单胞菌中，它们通过一条此前未知的替代代谢途径合成——并非作为初级代谢的一部分，而是作为一种所谓的次级代谢产物。
研究人员发现，这条此前未知的代谢途径基于一个特定的生物合成基因簇，即所谓的聚酮合酶。“通过实验，我们证实了在线虫感染苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）时，拥有该基因簇的荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）能帮助线虫更好地存活。”该研究的第一作者Peters强调道。
在识别出负责的基因后，科学家们通过进一步分析确认了该基因簇编码鞘脂合成所需的酶。“我们很高兴成为这篇重要突破性论文的作者之一。我们在细菌鞘脂研究方面的专业知识帮助发现了这些神秘脂质在线虫微生物群中的新作用。”Campopiano教授说道。
“针对苏云金芽孢杆菌感染的保护机制似乎是间接起作用的。假单胞菌产生的脂质会影响线虫的鞘脂代谢，从而改善肠细胞的屏障功能。”Peters解释道。
当线虫感染苏云金芽孢杆菌时，病原体的毒素会在宿主细胞膜上形成小孔，使病原体更容易侵入。“我们假设，由荧光假单胞菌修饰的鞘脂代谢增强了细胞膜的稳定性和抗性——从而提供了有效且间接的病原体防护。”Peters补充道。
“总体而言，这项新研究扩展了我们对微生物代谢物如何支持宿主防御病原体的理解。”Dierking表示，她是Evolutionary Ecology and Genetics研究小组的独立团队负责人。
从长远来看，CRC 1182的研究人员（他们也在基尔大学的重点研究领域Kiel Life Science（KLS）中活跃）希望更好地了解这些基本机制能够为干预人类肠道微生物群失调提供可能性，从而为多种相关疾病的治疗提供更多选择。
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