腸道微生物具有非常豐富的代謝酶，將進入的營養物質轉化成一系列腸道微生物代謝物，這其中的一些會進入宿主血液循環系統，并有著重要的生理病理學作用。為了維持腸道微生物細菌在體內的生長代謝，需要有持續的營養攝入。這一部分進入微生物組的營養是從哪來的?不同飲食如何塑造腸道微生物族群?最近，一項研究揭示了宿主血液循環中的乳酸會穿過腸道璧進入腸道微生物組，但是是否也有其他宿主營養物質從血液循環中返回腸道微生物組并為其提供營養?
2022年9月1日，來自普林斯頓大學的課題組(第一作者為曾憲豐博士)，來自加州大學爾灣分校的課題組和普林斯頓大學的課題組合作發表了文章。文章通過結合同位素示蹤，代謝組學和蛋白組學技術，研究了腸道細菌在不同菌屬在體內的營養偏好。
研究首先使用了13C-同位素標記的不同飲食營養物質對小鼠進行灌胃，通過分析盲腸內容物和門靜脈的代謝物被標記的程度來分析不同營養物質是否進入腸道微生物。這些實驗發現13C-可溶性膳食纖維(菊粉)相比于常見的淀粉標記顯著更多的門靜脈短鏈脂肪酸，從而成為給腸道微生物組提供主要營養物質的膳食。同樣地，相對于氨基酸來說，蛋白質也顯著更多地給腸道微生物提供了營養，蛋白質也是主要的支鏈脂肪酸和芳香族代謝物的主要來源。
為了定量宿主血液循環中的營養物質對微生物組的營養貢獻，作者向小鼠血液循環中輸入了13C-或者15N-標記的常見代謝物，通過測量小鼠糞便中的代謝物標記程度來考察這些輸入的代謝物是否進入腸道微生物組。這些實驗發現宿主血液循環中的水，乳酸，3-羥基丁酸以及尿素顯著地為腸道微生物組提供了營養物質。
上述的研究都是將腸道微生物組作為一個整體進行研究，無法觀察不同腸道細菌的特異性。那么，是否有一種方法能夠同時測量不同腸道細菌的代謝過程?為此，作者結合同位素標記和蛋白組的手段，將同位素標記的盲腸內容物進行蛋白組分析，通過比較不同細菌特異性的多肽被同位素標記的程度，實現了體內對于不同腸道細菌營養偏好的體內定量。
作者首先測量了不同細菌對于菊粉，海藻蛋白和宿主乳酸的營養偏好。作者發現擬桿菌屬和以梭菌屬為代表的厚壁菌門的細菌更為偏好菊粉，而厚壁菌門的細菌也偏好蛋白質作為營養物質，而Akkermansia則顯著地偏好宿主乳酸。
為了驗證這里測量的營養偏好，作者將小鼠放在高膳食纖維(菊粉)或者高蛋白的飲食下兩天，通過16S rRNA基因擴增測序測量不同腸道微生物組的變化。實驗發現，高膳食纖維飲食下，擬桿菌的相對比例增加了4倍，而梭菌屬的比例增加了2倍，這些結果符合測得的體內營養偏好給出的估計。同樣地，高蛋白飲食增加了厚壁菌門的相對含量。這些實驗也證明了不同的飲食通過促進偏好使用攝入的營養物質的細菌生長來重塑微生物組成分。
總之，該研究提出了一種新穎的手段合并同位素標記，代謝組和蛋白組來研究腸道微生物的代謝。同時也指出了由于受到儀器分辨率，有限的細菌蛋白組數據庫信息的限制，此工作的定量主要基于腸道菌屬的層面。作者也指出一些其他并行的手段，比如通過流式細胞儀分離不同細菌，將會給本研究的結果進行進一步的驗證和提供更多的不同細菌代謝的信息。
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https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.020
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