随着现代医学越来越认识到细菌和其他微生物在我们的健康中所起的积极作用，一个谜团出现了:为什么有益的微生物群落有时会变成对治疗顽固抵抗的有害状态?
科学杂志上发表了一篇新论文进展,研究人员在实验室里的Rustem Ismagilov,加州理工学院# x27; s埃塞尔威尔逊鲍尔斯和罗伯特·鲍尔斯教授化学和化学工程与雅各布斯分子工程研究所主任,显示一种机制可以解释小触发器可以导致微生物从有益状态翻转到一个有害的状态和被困。
"生物学和生物工程领域的第一作者和博士后学者Tahmineh Khazaei博士说:“我们看到微生物在许多影响健康的疾病和条件中发生了变化。”我们不知道的是这些开关是如何发生的，为什么会持续存在。我们的研究旨在帮助回答这个问题
卡扎伊说，微生物的转移可以在几种情况下发现，比如小肠细菌过度生长(SIBO)，牙龈疾病和伤口感染——在所有这些情况下，厌氧细菌(对那些氧是有毒的)开始在好氧菌中增殖，或者" -呼吸氧气"细菌。
"她说:“看到厌氧菌在似乎不适合它们生长的含氧环境中繁殖令人困惑。”
Khazaei和她的同事对这些微生物群落进行数学建模，发现它们和它们在状态之间切换的倾向可以被描述为一个具有多稳定性和迟滞性(MSH)的系统。多稳定性是指系统可以处于两种或两种以上的稳定状态，而迟滞则是指系统一旦处于某一状态，就有希望停留在某一状态的倾向。MSH是一个为其他领域的物理学家和工程师所熟知的概念，但在这里，研究小组发现它也适用于微生物群落的行为。
MSH可以被认为是一个生锈的跷跷板，一个人站在上面。如果这个人站在跷跷板的一端，那一端就会倒在地上。这是一个稳定状态。
如果一个人开始沿着跷跷板的顶端走向另一端，他们最终会穿过跷跷板的中心，跷跷板也会将另一端倾斜到地面——这是另一种稳定状态。这是多稳定性。但因为跷跷板是生锈的，它会抵抗倾覆，直到人远远超过中心。这种抗拒变化的倾向就是滞后现象。
发展他们的模型后,要看更多有关憩苑团队需要看看是在现实世界中细菌群落的性质,所以他们建立了一个孵化室,他们可以"tune"微生物群落如何应对不断变化的环境,如果他们会接受理论状态开关。他们选择在SIBO患者身上发现的两种细菌进行实验，一种是好氧细菌，另一种是厌氧细菌。
正如模型所预测的那样，当室内的糖浓度升高到一定的阈值后，研究人员看到群落从以空气为主导的状态转变为好氧生物和厌氧生物共存的状态。这个新的社区州仍然是"stuck"(就像生锈的跷跷板)，即使是在没有糖的情况下。
接下来，研究小组检查了系统内生化水平上发生的变化，发现"代谢结合使它们能够在多种条件下共同生存，包括在富氧环境中，否则厌氧细菌就无法生存。
代谢耦合是这样运作的:当糖含量低而氧含量高时，只有需氧细菌才能存活。当糖浓度上升到足够高时，需氧菌在其新陈代谢过程中消耗了大量的氧气，从而在其周围创造了一个低氧区，厌氧菌可以在其中生存。厌氧菌通过消化需氧菌无法消化的复杂糖而存活下来。在此过程中，它将这些复杂的糖分解成单糖，其中一些会被需氧生物消耗掉。在这个过程中，厌氧菌对这些单糖的消耗消耗掉了氧气，因此即使周围环境中有氧气存在，也为厌氧菌保持了一个适宜的低氧区。一旦达到这种状态，即使研究人员停止向培养箱中添加单糖，系统也会保持这种状态，因为细菌群落现在可以依靠复合糖生存。一种物种为群落提供燃料，而另一种则提供氧气保护。
" Khazaei说:数学模型是可以预测的，但归根结底，你必须实际证明它发生了。当我们看到厌氧菌在氧气中生长时，那真是一个令人激动的时刻
她补充说，这类发现很重要，因为它们帮助我们更好地了解当细菌以意想不到的方式活动时发生了什么。
Khazaei说，更好地理解微生物群落是如何从健康状态转变为疾病状态的，也许有一天可以帮助研究人员找到帮助他们回归健康状态的方法。
这篇论文描述了他们的发现，题目是"在一个空气-厌氧微生物群落模型中的代谢多稳定性和滞后，"发表在8月12日的《科学进展》杂志上。合著者是生物工程研究生罗里·威廉姆斯;化学工程博士后学者Bogatyrev说;约翰·多伊尔，控制与动力系统、电气工程和生物工程的让-卢·查莫教授;阿贡国家实验室的克里斯托弗·亨利;和Rustem Ismagilov。
这项工作部分是在陆军研究办公室资助的多研究所合作下开发的，陆军研究办公室是美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的一个组成部分。该项目的目的是了解微生物-内脏-大脑回路，以了解微生物调节宿主对环境影响的认知，包括饮食和压力。
"美国陆军研究办公室的项目经理弗雷德里克·格雷戈里博士说，微生物-内脏-脑轴是众多关注的重要领域之一，由于缺乏对潜在的致病动力学的了解，这些领域在人类健康方面的应用受到了限制。"本研究强调了在许多广泛相关的背景下，多稳定性和迟滞作为研究微生物群落动力学的基础框架的潜在重要性。例如，这些结果可以为陆军开发下一代战斗喂养解决方案提供信息，以促进士兵肠道微生物群的健康和对肠道异常的恢复力
这项研究的资金也由国家科学基金会和加州理工学院环境微生物相互作用中心提供。
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