從“測到”到“拿到”：培養組學如何幫我們尋找下一代益生菌？

如果把人體微生態比作一座熱鬧的城市，測序技術就像一張“人口普查表”：它能告訴我們這里大概住著哪些細菌、比例如何、可能具備哪些功能。

但對于真正想開發益生菌的人來說，只知道“在哪里”還遠遠不夠。我們還需要把目標細菌從復雜樣本中分離出來，獲得活的、可保存、可復蘇、可驗證的菌株。只有這樣，后續的細胞實驗、動物實驗、機制研究、安全性評價和產品轉化才有可能真正展開。

這正是培養組學要解決的問題。

圖1 培養組學與測序技術互補：測序幫助我們看見菌群圖譜，培養組學幫助我們獲得可保存、可復蘇、可驗證的活菌資源。 什么是培養組學？

培養組學，英文為culturomics，可以簡單理解為“用高通量、系統化、多條件的方式，把過去難以培養或容易被忽略的細菌盡可能培養出來的一種技術”。

傳統微生物培養往往依賴少數幾種培養基和人工挑菌，效率有限，也容易反復拿到生長最快、數量最多的那一批菌。培養組學則把培養這件事做得更系統：改變培養基、氧氣條件、溫度、營養濃度、抗生素或選擇性壓力、培養時間、分離方式，再結合 16S rRNA 測序、全基因組測序、質譜鑒定、菌落圖像分析等技術，建立一套“從復雜樣本到活菌資源庫”的流程。

換句話說，培養組學不是回到過去的培養皿時代，而是把培養技術升級為一個高通量、數據化、可追蹤的平臺。

為什么有了測序，還需要培養？

過去二十年，16S rRNA 測序和宏基因組測序極大推動了微生態研究。它們讓我們看見了口腔、腸道、泌尿生殖道等部位復雜而豐富的微生物群落。

但測序也有天然邊界。

第一，測序通常告訴我們“DNA存在”，不一定代表這個細菌是活的、能穩定生長，或能在特定條件下發揮功能。

第二，低豐度菌、特殊生長需求菌、嚴格厭氧菌，可能在測序分析中被低估或遺漏。

第三，很多功能問題必須依賴活菌回答。例如：某株菌是否能抑制炎癥？是否促進屏障修復？是否產生有益代謝物？是否具有抗病原菌能力？是否安全、穩定、可放大培養？

這些問題不能只靠序列推測。它們需要一株株活菌進入實驗體系中接受驗證。

因此，培養組學與測序并不是替代關系，而是互補關系：測序幫助我們看見整體圖譜，培養組學幫助我們把其中有價值的細菌真正拿到手。

培養組學有什么優勢？

培養組學最直接的價值，是擴大可培養細菌的邊界。

一些研究顯示，培養依賴方法和培養非依賴測序方法得到的細菌譜并不完全重疊。換句話說，測序看到的并不是全部，培養拿到的也不是全部。把兩者結合起來，才能更接近微生態的真實面貌。

更重要的是，培養組學能把“菌群研究”推進到“菌株研究”。在同一個物種內部，不同菌株之間可能存在明顯差異：有的更適合作為益生菌候選，有的可能攜帶不利基因，有的與宿主或其他微生物互作方式完全不同。益生菌開發最終面對的是具體菌株，而不是抽象的屬名或物種名。

此外，培養組學還具有幾個關鍵優勢：

1. 能獲得活菌，用于功能驗證和機制研究。

2. 能建立可長期保存和復蘇的菌株資源庫。

3. 能發現低豐度、難培養或此前未被充分研究的細菌。

4. 能把菌落形態、生長特征、基因組信息和功能表型連接起來。

5. 能為后續益生菌、后生元、菌群干預和精準微生態治療提供候選資源。

2023 年發表在 Nature Biotechnology 的一項研究展示了培養組學走向自動化和智能化的潛力。研究團隊利用自動化微生物成像與分離平臺 CAMII，對 20 名健康人的糞便樣本進行分析，篩選超過 10 萬個菌落，獲得 26,997 個分離株，覆蓋了健康腸道中相當大比例的優勢菌群。平臺還利用菌落形態和機器學習指導挑菌，提高了獲得多樣化菌株的效率。

這說明，培養組學正在從“經驗驅動”走向“數據驅動”。

一套常規的培養組學流程是怎樣的？

培養組學看似是“培養細菌”，實際是一條從樣本到功能菌株的完整鏈條。

圖2 一套典型培養組學流程包括規范采樣、多條件培養、挑菌純化、菌株鑒定、菌庫建設和功能篩選。

第一步，規范采集樣本。

不同身體部位的微生態環境差異很大。口腔、腸道、泌尿生殖道中的氧氣條件、營養來源、pH、黏膜環境和優勢菌群都不相同。因此，樣本采集、保存和轉運必須盡量貼近細菌原本所處的環境。對腸道等富含厭氧菌的樣本來說，減少氧暴露尤其重要。

第二步，設計多樣化培養條件。

培養組學的核心不是“用一個培養基培養所有菌”，而是用一組條件盡可能打開不同細菌的生長窗口。例如使用富營養或低營養培養基、不同凝固劑、不同抗生素或選擇壓力、不同培養時間、不同厭氧程度，甚至通過熱處理、酒精處理、過濾、稀釋等方式富集特定類型細菌。

第三步，挑取和純化菌落。

傳統挑菌主要依賴人工觀察，而新的培養組學平臺可以結合菌落大小、顏色、密度、圓度、凸度等圖像特征，選擇形態差異更大的菌落，從而減少重復挑取同一類優勢菌，提高菌庫多樣性。

第四步，菌株鑒定和基因組解析。

分離得到的菌株需要通過16S rRNA 測序、全基因組測序或質譜等方法確認身份?；蚪M數據還可以幫助判斷菌株是否攜帶潛在風險基因、是否具有代謝功能、是否具備后續開發價值。

第五步，建立菌株資源庫。

每一株菌都應當有清晰的來源、培養條件、鑒定結果、保存位置和復蘇記錄。一個高質量菌庫不僅是“冰箱里的菌”，更是一個可檢索、可追蹤、可驗證的數據資源。

第六步，功能篩選和轉化評價。

這是益生菌篩選中最關鍵的一步。候選菌株需要進入細胞模型、類器官模型、動物模型或其他功能體系中，評估其抗炎、免疫調節、屏障保護、代謝調控、抑制病原菌、改善疾病表型等潛在作用。同時，還需要開展安全性、耐受性、穩定性、規?；囵B和制劑適配等轉化研究。

在科學研究和轉化中，培養組學能做什么？

對于基礎研究，培養組學提供了研究微生態功能的“實物基礎”。

圖3 活菌資源庫連接菌群發現、機制研究、功能菌篩選和后續轉化，是下一代益生菌開發的重要基礎。

過去我們常常通過測序發現某類細菌與疾病、健康狀態或治療反應相關。但相關不等于因果。要進一步證明某株菌是否真的參與了疾病發生、免疫調節或代謝改變，就需要把它分離出來，在可控實驗中驗證。

對于益生菌開發，培養組學提供了候選菌株的源頭。

傳統益生菌多集中在乳酸菌、雙歧桿菌等少數經典類群。但人體微生態中還存在大量值得研究的共生菌，例如與短鏈脂肪酸產生、黏膜免疫調節、病原菌競爭、藥物代謝等相關的菌群成員。培養組學有機會把這些“潛在功能菌”從樣本中分離出來，進入系統評價。

對于精準微生態干預，培養組學還能幫助我們從“通用益生菌”走向“場景化菌株組合”。

不同人群、不同身體部位、不同疾病背景下，需要的菌株可能并不相同。未來的微生態產品，可能不再只是單一菌株，而是由多株經過功能驗證、安全評價和配伍優化的菌株組成。菌庫越豐富，后續組合篩選和精準干預的空間就越大。

我們正在做什么？

我們目前關注的是：利用細菌培養組學這一高通量活菌分離技術，從正常人口腔、腸道、泌尿生殖道等部位分離細菌，建立來源清晰、信息完整、可持續擴展的人體共生菌資源庫。

在此基礎上，我們將結合細胞模型和動物模型，對分離菌株進行功能驗證，篩選具有潛在益生作用的候選菌株。我們關注的不只是“分離到多少菌”，更關注每一株菌是否具有真實、可重復、可解釋、可轉化的功能價值。

從樣本到菌庫，從菌庫到功能篩選，從功能篩選到機制研究和產品轉化，培養組學為下一代益生菌開發提供了一條清晰路徑。

未來，培養組學會走向哪里？

培養組學仍然在快速發展。

一、自動化。機器人挑菌、自動化液體處理、高通量測序和標準化數據庫，將大幅提升菌株分離和管理效率。

二、智能化。機器學習可以根據菌落圖像、基因組特征和既往培養數據，預測哪些菌落更值得挑取，哪些培養條件更適合目標菌。

三、多組學融合。宏基因組、代謝組、轉錄組、單細胞技術和培養組學結合后，有望更精準地定位目標菌、設計培養條件，并解釋菌株功能。

四、轉化應用。隨著更多人體來源共生菌被分離、保存和驗證，益生菌開發將從少數傳統菌種拓展到更廣闊的“人體共生功能菌”資源。

可以預見，未來的微生態研究不會只停留在“看見菌群”，而會越來越強調“獲得菌株、理解功能、實現干預”。培養組學，就是連接這三件事的橋梁。

結語

人體微生態里還有許多尚未被充分認識的細菌。它們可能參與健康維持，也可能成為疾病干預的新入口。培養組學讓我們有機會把這些細菌從復雜群落中分離出來，變成可研究、可驗證、可開發的活菌資源。

我們希望通過這個公眾號，持續分享培養組學、人體共生菌資源庫、功能菌株篩選和益生菌轉化相關的研究進展，也期待與臨床、基礎研究、轉化醫學、營養健康、婦幼健康、口腔健康、泌尿生殖健康及產業界伙伴開展合作。

從一株菌開始，理解微生態，也許就能打開健康干預的新可能。

參考文獻

1. Huang Y, Sheth RU, Zhao S, et al. High-throughput microbial culturomics using automation and machine learning. Nature Biotechnology. 2023;41:1424-1433.

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