科學日報報道，根據美國德克薩斯的高等計算中心（TACC）利用超級電腦進行的一項研究，我們在生病時口腔裡的細菌會發生極大的改變。科學家們表示這些令人驚訝的發現可能導致開發更好的方法阻止甚至逆轉牙龈疾病牙周炎、糖尿病和克羅恩氏病。
細菌會共享營養物質 美國德克薩斯州大學奧斯汀分校傳染病中心主任、分子生物科學教授馬文·懷特利（MarvinWhiteley）帶領的這項研究被發表在期刊《mBio》上。“我們試圖查明的是當你健康或者生病時這些細菌的特征行為。最重要的發現便是它們的行為差異巨大。”
細菌會共享營養物質，一個物種在與另一個物種持續發生相互作用時，它甚至以後者為食。“我們的發現便是這種共享以及它們之間的相互作用因人類個體健康狀況的不同而會發生急劇的變化。”
研究人員利用獵槍宏基因組測序——一種非定向的方法研究細菌群落的所有遺傳物質。懷特利和同事分析了TACC的Lonestar和Stampede超級計算機搜集到的RNA。結果出人意料，在人體內微生物的數量，主要是細菌，比人類細胞數量還要多，兩者比例大約為10：1。科學家們已經鑒別了每個人體內生活著的10000多種不同的細菌物種。這些微生物群落集體被稱為人類微生物組，這是根據長達5年、耗資1.15億美金、由國家衛生研究院（NIH）於2008年發起的人類微生物組計劃。
“最簡單的方法便是將它們看做所有生活在你體內和體表的細菌集合，”懷特利說道。“我們不僅將它們看做細菌，更是遺傳物質的組合。它們的DNA是什麼？由此我們可以推斷這些細菌對我們可能產生的影響。”
研究的第一步是將收集到的菌斑樣本裡的RNA隔離出來。研究合作作者、懷特利實驗室的博士後研究員基斯·特納（KeithTurner）解釋道。“對於了解計算機的人來說，RNA就像RAM（隨機存取存儲器），也就是細胞的內存儲器。”RNA樣本就像存儲圖片或者磁心信息轉儲，揭示了它所屬細菌的過程,而這些細菌目前仍是未知數。不幸的是，你無法獲得這一活動的全部信息，因為樣本裡有太多分子。
“但是你能做的便是盡可能獲得你可以得到的，然後測序對它們進行扼要描述，這主要是借助某些近期的技術進步。然後就是一個尋找的問題。”特納搜索了元基因組的數據庫，後者本質上來說就是一個從環境采樣，而非實驗室內培育的巨大的基因交流站。他尋找那些與NIH人類微生物組計劃相匹配的樣本，一次匹配就揭示了一個基因來自於樣本裡的哪個細菌，特納記錄下了每一對匹配。“你可以想象，這種獵槍方法需要進行龐大的計算，這便是我們尋求TACC幫助解決某些這類問題的原因。”
這些問題究竟有多大呢？
160000多個基因，產生了2800至8500萬個RNA片段讀數，其中包括每個樣本裡1700萬個mRNA讀數。他們的主要發現顯示了當人類是健康或者疾病時，細菌的行為是有差異的。“從健康到疾病的轉變中，細菌最大的變化便是它們改變了新陳代謝。”懷特利說道。換句話說，以另一個事物，例如果糖為食的一個細菌物種在人類生病時可以轉變為以另一種糖為食。
“利用台式電腦運行這樣的分析可能需要一周至兩周，但我們在TACC運行它只需要幾個小時的時間。Stampede使得我們可以同時使用6400台台式電腦。生物學裡有很多問題可以受益於這種超級計算的方法。”
懷特利發現牙周炎非常有趣，因為它是地球上最普遍的疾病之一。“這是一種非常有趣的疾病，因為無論你健康還是疾病，你口腔裡的細菌都是同一類。我們的研究表明你口腔裡究竟有什麼細菌並不重要，因為這些細菌群落的活動都非常相似，因此健康的群落有這種新陳代謝，無論組成群落的細菌是哪些。而疾病的群落又有非常不同的新陳代謝，組成它們的細菌也無所謂是哪些。”
懷特利將我們牙龈裡發生的情況與非洲大草原的生態系統相對比。“動物”之間的相互作用才是關鍵。“大草原裡有獅子、獵豹、牛羚以及其它生物。如果你將它們看做是一個群體，那一切才有意義，但如果你選取熱帶草原裡的一公頃並觀察它，那麼可能意義就不大，因為在這一公頃面積裡可能一頭獅子也沒用，因此為了理解動物之間的相互作用，你需要更大更廣的背景，這便是這項研究所做的。”
根據人類微生物組計劃的科研結果，細菌群落裡有害細菌變得越來越多的轉變主要與廣泛的疾病有關，例如牙周炎、糖尿病和克羅恩氏病。懷特利表示他的研究將對人們有益，或可以幫助研發生物標記，以預測一個人是否即將生病。“如果你能夠提出快速評估細菌群落行為的方法，並由此預測個體是否處於從健康到疾病的過渡期，並提供某種預防措施。”
“你可以輕易的操控細菌群體，你只需要進食一些其他的食物來改變它們的飲食。我們的實驗室已經有一些初步想法，隨著研究的不斷滲入，它們可能變得越來越普遍。醫療將在未來10至50年間發生翻天覆地的變化，我們將思考更多相關的問題，例如我們的微生物組究竟在做什麼？它是否會對你生病與否產生影響？”
