土壤是微生物-材料相互作用和環(huán)境響應(yīng)的動態(tài)系統(tǒng)。土壤-微生物復(fù)合體是一個集成的、適應(yīng)性強(qiáng)的系統(tǒng)，可以根據(jù)外部環(huán)境重塑其狀態(tài)。受土壤這些特性的啟發(fā)，研究人員設(shè)計了一種化學(xué)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，外部刺激可以誘導(dǎo)感應(yīng)和改變。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院(SIAT)的高翔教授是該研究的共同第一作者。
這項研究于10月24日發(fā)表在《自然化學(xué)》上。
土壤的微生物定殖環(huán)境是自然界中微生物與物質(zhì)相互作用的完美例子。一方面，內(nèi)源性土壤礦物質(zhì)和土壤有機(jī)質(zhì)與水分、機(jī)械力等外源性因素動態(tài)相互作用，引導(dǎo)土壤微生物群落。另一方面，土壤微生物調(diào)節(jié)生物地球化學(xué)循環(huán)，使土壤富含氮、磷和硫等營養(yǎng)物質(zhì)。
研究小組提出了一種自下而上的合成方法來構(gòu)建由納米結(jié)構(gòu)礦物質(zhì)、淀粉顆粒和液態(tài)金屬組成的化學(xué)系統(tǒng)，以便松散地代表土壤中固定的無機(jī)和有機(jī)材料以及流動相。
“該系統(tǒng)具有化學(xué)、光學(xué)和機(jī)械響應(yīng)，具有可編程特性，”該研究的通訊作者和第一作者、現(xiàn)任新加坡國立大學(xué)助理教授林義良教授說。“我們可以用機(jī)械壓力或激光圖案將導(dǎo)電信息‘編碼’到材料中，然后用化學(xué)蒸汽‘擦除’導(dǎo)電性。整個過程是可逆的。”
除了與真實土壤的結(jié)構(gòu)相似性及其動態(tài)響應(yīng)性外，受土壤啟發(fā)的化學(xué)系統(tǒng)不僅可以增強(qiáng)體外微生物代謝，還可以豐富病理條件下的腸道細(xì)菌多樣性并調(diào)節(jié)體內(nèi)細(xì)菌生態(tài)失調(diào)。
在體內(nèi)實驗中，受土壤啟發(fā)的化學(xué)系統(tǒng)增強(qiáng)了腸道微生物群的豐度，并在病理條件下調(diào)節(jié)了失調(diào)的腸道微生物。“受土壤啟發(fā)的化學(xué)系統(tǒng)顯示出治療胃腸道疾病的前景，”該研究的共同第一作者、SIAT的高翔教授說。
除了用于腸道微生物群之外，這種化學(xué)系統(tǒng)還可用于研究其他微生物系統(tǒng)，例如皮膚和土壤微生物群，這可能對人類健康以及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生產(chǎn)力產(chǎn)生影響。
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