将致病性病毒重新引入合成微生物群落评估噬菌体-宿主种群动态

合成微生物群是研究群落动态的重要工具，每个菌株都经过纯化并可用于探索因果关系和机制。然而，致病性病毒在细菌纯化分离过程中可能会丢失，导致合成微生物群缺乏这些重要病毒。重新引入纯化的原始病毒群落到合成微生物组中可以揭示致病性病毒对微生物组表型的影响。该研究将有致病性sDNA噬菌体组重新引入到73株合成肠道微生物组中（模拟人类结肠的生物反应器模型），结果显示致病性病毒会针对易感株，而不会显著改变群落结构或新陈代谢。

首先借鉴细菌噬菌体研究数学建模，开发模拟琼脂平板上病毒颗粒和细胞的空间分布。结果显示，传统培养参数可可靠地在低VBRs下排除病毒颗粒，但在高VBRs下，病毒颗粒很少被传统的隔离参数排除。因此，推断目前大多数合成肠道微生物群落主要缺乏致病性病毒。

接着验证模型，使用微量注射器将大肠杆菌BL21细胞与噬菌体T4精确地分开一定距离，以测试菌落形态是否可靠指示感染情况。结果显示，在距离T4 750-1,500mm的范围内接种的菌落虽然呈现正常形态，但通过斑点法和生长曲线检测后仍然测试为T4阳性。因此，研究人员无法依靠视觉线索来避免感染的菌落。

建模成功后，从健康捐赠者的人类粪便样本被连续稀释，提取+1000个菌落，通过对16S rRNA基因的V3-V6区域进行测序，鉴定出73个不同的菌株（70种）。这73个菌株构成了一个被称为“SM1”的群落，包括人类肠道微生物组中普遍存在的成员。

SM1菌株在来源的粪便样本和接种SM1连续培养19天的三个重复生物反应器中SM1菌株的比率。在第13、16和19天的样本中，SM1细菌群落显示出生物反应器复制体之间具有显著相似性的特征，表明菌株组装、DNA提取和测序对于复制体间16S rRNA扩增子配置的差异只产生了中等程度的影响。

确认接种了SM1的生物反应器在粪便中存在的强毒性噬菌体中被耗尽情况，然后从粪便样本中纯化了病毒颗粒，并将它们与SM1共同接种到另外三个生物反应器中。在Fv+SM1生物反应器中检测到粪便中的24个病毒序列，但在SM1生物反应器中不存在。这24个序列在第19天占Fv+SM1病毒读数的37.1%。最终显示，Fv+SM1中有十个具有高或中等VIBRANT质量，而SM1生物反应器中没有一个contig被预测为有毒，表明预测到合成微生物组中的有毒病毒数量明显减少，但也表明有毒病可以在重新引入的情况下定植和持续存在。

对在Fv+SM1和SM1生物反应器之间的16S引物数据差异进行了分析。显示在Fv+SM1生物反应器中，B. koreensis 和B. cellulosilyticus的丰度没有显著差异，但B. cellulosilyticus 的丰度明显降低。致病性病毒共培养对于SM1社群结构在第7、10、13、16和19天的影响较弱。即，病毒致病性导致部分受影响菌株的丰度适度变化，但并未在其他社群成员中引起显著的级联效应。

最后，通过分析每个生物反应器的流出物中43种主要代谢产物的浓度，分析了具有强毒性的病毒对菌群代谢的影响。结果显示，强毒性病毒对特定代谢产物产生了影响，但并未导致整体代谢产物配置发生重大变化。

该研究挑战了人工合成肠道微生物组的生物学相关性，但也为实验操作复杂病毒群落铺平了道路。从有限数量的粪便样本中提取菌株构建了合成微生物组，就可以净化并重新引入相关的致病病毒。在这项研究中，利用从单个人类粪便样本中分离出的73种细菌菌株构建了合成微生物组，验证了这一原理。该工作强调了合成生物学在识别具有DNA损伤抵抗特性的原噬菌体方面的潜力。 该实验方法虽然有助于了解噬菌体与寄主动态，但存在改进空间。为提高病毒样本纯度，建议采用更宽松的纯化方法，避免降低病毒多样性。另需深入研究非传统生命周期噬菌体对Bacteroides菌落的影响，特别是Crassvirales类噬菌体。此外，考虑宿主物种不同形态可能影响模型适用性。发展高通量技术可提高致病病毒纯化效率及再引入过程简化，增强实验可重复性。

参考文献：Assessing phage-host population dynamics by reintroducing virulent viruses to synthetic microbiomes.  Doi: https://doi.org/10.1016/j.chom.2024.04.001.