近日发表于《自然-化学》的一项最新研究成果表明，“吃土”也能调节肠道微生物组和治疗肠炎。
科研团队受土壤组分启发，通过人工合成的方法构建由蒙脱土（天然土壤成分，俗称“观音土”）、淀粉颗粒和液态金属3种组分组成的土壤仿生材料，具有调控微生物功能的特质。这一具有响应性和调节性功能的新材料，不仅能提高微生物合成化学品的效率，还能够调节肠道菌群失调，恢复肠道微生态，在生物制造和生物医药领域具有应用潜力。
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美国芝加哥大学教授田博之为论文通讯作者，新加坡国立大学助理教授林艺良为第一作者和共同通讯作者，中科院深圳先进技术研究院合成生物学研究所副研究员高翔为共同第一作者。
可以指挥微生物的“人造土”
自然环境中的微生物群落是一个重要但未被充分研究的领域。土壤被公认是地球系统生物多样性最为复杂和丰富的环境。据统计，每克土壤中微生物的数量可达上百亿个、种类可达上百万种，有成千上万的菌落、超过200米的菌丝等。土壤中原核生物的多样性比自然界中其他生物物种的总和大3个数量级。
受土壤结构及组成成分的启发，研究团队开发出一种新的土壤仿生材料，并构建了一种化学系统，可以让“加入”该化学系统的微生物定植。通过物理刺激的方法，将想要传递的信息发送给该团体中的微生物，原本“清闲”的微生物接收到信息后便可进行“创新性工作”。
土壤仿生材料可以对激光、溶剂、外力等进行响应，使材料从原子到宏观水平发生化学非均质性变化，实现该化学系统中不同组分的化学再分配、传感和写入及擦除修改，从而发挥新的功能。科研团队便可在此基础上进行更多的系列研究。
“我们使用了自下而上的方法模拟土壤中的矿物质、有机相和流动相来合成一种新的化学系统。该化学系统为一种土壤仿生材料，可以在体外增强微生物代谢和提高生物基化学品的合成，丰富病理条件下的肠道微生物组多样性，调节体内细菌失调。”高翔表示。
将纳米结构矿物质、淀粉颗粒和液态金属完美结合是研究过程的一个难点，3种元素的比例调配及功能缺一不可。为此，研究团队使用了3D-X射线荧光光谱和叠层衍射成像来表征构建系统的结构和功能，反复调整以确保材料的最优效果。
科学“吃土”治疗肠道疾病
从自然界中无机和有机结合的思考，到创新性地将随处可见的土壤应用到科学研究中，仿照土壤结构将材料与微生物更好结合，这是科研团队在材料领域的又一创新突破。
那么，如何证实研究成果对肠道微生物具有调节作用呢？
为此，研究团队建立了一个肠道微生物发生紊乱的小鼠模型。小鼠“吃”掉研究团队开发的土壤仿生材料后，其紊乱的肠道微生物菌群有所恢复，并重新建立生态模型。他们还发现，该材料可以用于治疗葡聚糖硫酸钠诱导形成的急性肠炎。用土壤仿生材料对小鼠模型进行治疗实验，证实其对肠道微生物群有调节功能并能治疗肠炎，说明“吃土”可以治疗肠道疾病。
“我们的研究成果主要有两个应用领域，一是促进微生物生长并提高微生物合成生物基化学品的效率；二是调节肠道微生态，从而达到治疗肠道疾病的效果。”高翔说。（记者 刁雯蕙 通讯员 赵梓杉）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41557-022-01064-2（刁雯蕙 赵梓杉）