人类的微生物群是大量的微生物的集合体，它们寄生在我们皮肤和许多其他器官的表面，对维持我们的整体健康至关重要。在任何时候，人类都是500 – 1000种不同种类细菌的宿主，这些细菌加在一起包含的基因远远超过我们自己的基因组。研究人员已经认识到，没有两个人拥有相同的微生物群，微生物群的组成可以随着饮食、生活方式、抗生素和其他药物的治疗以及其他因素而改变。
但是，尽管已经发现个体微生物群与肥胖、炎症性肠病、关节炎、癌症和自闭症等多种疾病之间存在联系，但人们仍然不知道是否也可能出现相反的情况，而且微生物群在某些情况下可以增强健康和身体表现。
“在这个项目的开始,我们假设精英运动员的微生物必须有高度调整细菌物种共同之处,可以帮助与他们的性能和恢复,而且,一旦确定,这些可能成为高度有效成绩的益生菌的基础上,“说co-first作者乔纳森•Scheiman前博士后启动项目和乔治教堂,他是哈佛大学威斯生物工程学院的核心教员，也是哈佛医学院的教授。沙伊曼还是FitBiomics Inc.的首席执行长，他本人也曾是职业篮球运动员。
现在,一个高度协作的领导的研究小组Scheiman教堂Wyss研究所和HMS亚历山大Kostic波士顿乔斯林糖尿病中心发现一个特定的细菌群称为韦永氏球菌属,他们发现肠道微生物丰富的波士顿马拉松跑步者在他们完成了87年的种族和一个独立组精英和奥林匹克运动员在比赛之后。从马拉松运动员身上分离出来的细孔菌被注入老鼠体内，与对照组相比，它们在实验室跑步机测试中的表现提高了13%。这项研究发表在今天的《自然医学》杂志上。
前博士后研究员乔纳森·沙伊曼(Jonathan Scheiman)(见图)和威斯研究所核心教员乔治·丘奇(George Church)一起开始了这个项目。哈佛大学威斯研究所“我们能够证明Veillonella-driven性能提升是由于细菌分解乳酸的能力,一个代谢物积累与长时间的剧烈运动,产生丙酸,短链脂肪酸(SCFA),这反过来又加强了身体锻炼的弹性压力,“Kostic说,共同通讯作者和微生物学助理教授在乔斯林。Kostic研究计算和实验方法，旨在更好地理解人类微生物群和代谢疾病(如糖尿病)之间的关系。
在他们的初步分析中，研究人员分析了2015年波士顿马拉松运动员的微生物组组成，通过确定从他们粪便样本中获得的细菌中无所不在但高度物种特异性的基因簇的DNA序列。沙伊曼说:“每天在跑步前一周和跑步后一周收集样本，在亚历山大的生物信息学管道的帮助下分析它们，使我们能够确定整个微生物群落中有意义的波动，其中最显著的波动是Veillonella属的增加。”
Veillonella将乳酸作为一种能量来源的能力是众所周知的，但是研究小组更进一步。他们从运动员的微生物群中分离出一种名为V. atypica的细孔菌，并将其添加到小鼠的肠道微生物群中。
主要的生物信息学分析和动物实验由共同第一作者Jacob Luber和Theodore Chavkin进行，他们都是Kostic小组的研究生。
但如何?乳酸在运动的肌肉中产生，在血管系统中循环，并被肝脏清除，而细菌居住在肠道内，两者之间没有明显的联系。事实上，研究小组提供了第一个证据，证明乳酸可以从循环中穿过肠上皮壁进入肠腔，在那里，它可以被Veillonella或其他细菌利用。有趣的是，这种细菌并没有充当“乳酸沉淀”的角色，导致了体内循环乳酸水平的大幅下降。相反，它是细菌乳酸发酵的产物，即短链脂肪酸丙酸盐，它从肠道腔回到循环系统以提高性能。
合作者表明丙酸,当注入到小鼠的肠道内腔,可以再现韦永氏球菌属的许多影响,像跑步机运行时间的增加,疲劳和减少常见的炎症标记物的水平在上升期间和之后的肠道极端体育表演和跑步机在小鼠模型中运行。科斯蒂克推测:“我们认为丙酸盐可以通过对抗炎症，作为身体的能量来源，以及其他未知的效果来展示它的性能优势。”“值得注意的是，运动能力越强，糖尿病患者的病情发展就越温和，寿命也就越长，这可能会使益生菌威柔氏菌治疗成为可能。”
丘奇说:“这项研究很好地验证了我们最初的假设，并提供了人体宿主和微生物群之间‘代谢共生’的最引人注目的例子之一。这种共生关系不仅可以广泛应用于运动员，而且可以改善病人的健康。”共同通讯作者，哈佛大学医学院遗传学教授，哈佛大学和麻省理工学院健康科学与技术教授，威斯研究所合成生物学平台负责人。“现在我们已经建立了一个平台来识别与极限运动相关的微生物，我们可以探索其他类型的极限运动员或高度适应环境挑战的个人的微生物群落，发现更多有益的功能联系，并致力于将它们转化为益生菌治疗。”
舍曼和丘奇是FitBiomics, Inc.的联合创始人，这是一家针对运动员的微生物生物技术公司。Scheiman、Church和Kostic持有该公司的股权。
“这是一个很好的例子，说明我们的研究所如何为富有创造力的年轻科学家提供自由，让他们无论到哪里都可以追随他们非传统的想法。Scheiman对体育运动的热情和科学合并在这样一个美妙的方式,与其他杰出的科学家合作,每一个将自己的专业知识,一个巨大的发现有可能改变了世界各地的许多人的生活质量采用低成本的益生菌的方法,”唐纳德·因格贝尔说Wyss研究所所长,Judah Folkman HMS血管生物学教授和血管生物学程序在波士顿儿童医院,他也是哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院的生物工程教授。
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这项研究的其他作者包括Wyss研究所和HMS研究人员Angela Tung、Sukanya Punthambaker和Mohammad Hattab;乔斯林糖尿病中心的Tara MacDonald、Sarah Lessard、locduyen Pham、Marsha Wibowo、Braden Tierney和Zhen Yang;FitBiomics Inc.的蕾妮·伍尔特(Renee Wurth);麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所的Julian Avila Pacheco和Clary Clish。
这项研究由哈佛大学威斯生物工程研究所、美国国立卫生研究院的国家人类基因组研究所和美国国立糖尿病、消化和肾脏疾病研究所资助。
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