正如不同的人喜好不同的口味，肠道微生物对营养物质的偏好也各有脾性。2022年9月1日，国际著名学术期刊《Cell》最新发表的一项研究，通过基于同位素示踪的方法，对小鼠肠道菌群以及菌群中不同成员（细化到菌属水平）的营养偏好，开展了大规模的体内定量分析，并结合小鼠饮食干预实验进行了检验。该研究系统性地回答了“哪类营养喂养了肠道菌群，产生了哪些菌群代谢物”以及“哪些肠菌偏好哪些营养物质”等重要问题，为进一步理解饮食-菌群-宿主的相互作用，提供了新的方法和资源。

 

 

该项研究中，研究人员对肠道微生物组及其产物的代谢输入进行了首次大规模、定量评估。检查了膳食淀粉、纤维和蛋白质、宿主粘液和大多数主要循环宿主营养素的贡献，发现乳酸、3-羟基丁酸和尿素在从宿主传递到肠道微生物组方面表现突出。此外，基于对细菌特异性肽序列的测量，评估了不同细菌属的营养偏好，并表明这些偏好与微生物组组成的变化一致，以应对饮食改变。

 

13C营养物质灌胃实验

 

微生物组可能影响宿主生理的一个主要机制是通过分泌的代谢产物。当肠道和结肠排入门静脉循环时，肠道微生物组产生的代谢物应该在门静脉中相对于全身血液富集。为了探究肠道微生物产品的膳食输入。研究人员通过口服管饲法，给小鼠喂食13C-淀粉（易消化的葡萄糖聚合物）和13C-菊粉（缓慢消化的果糖聚合物，即可溶性纤维）。在13C-淀粉管饲后，标记的葡萄糖、乳酸和丙氨酸迅速出现在门静脉循环中。相比之下，在13C-菊粉灌胃后，没有观察到大量标记的果糖、葡萄糖、乳酸和丙氨酸，而是标记的门静脉代谢物慢慢以短链脂肪酸的形式出现。基于血清代谢物标记的门静脉系统差异的定量分析显示，大多数淀粉碳（约 75%）变成循环葡萄糖、乳酸和丙氨酸，没有明显的短链脂肪酸标记。相比之下，约 40% 的菊粉碳变成了短链脂肪酸，其余未消化并在粪便中排泄。实验表明：菊粉相比于常见的淀粉，广泛标记了盲肠含量中的糖酵解和 TCA 中间体和氨基酸，成为给肠道微生物组提供主要营养物质的膳食。

 

 

研究人员接下来进行了类似的实验，比较了13C-游离氨基酸混合物与13C-藻蛋白的灌胃。游离氨基酸喂养导致门静脉循环中标记的氨基酸迅速出现，而藻蛋白则没有。相反，藻蛋白基本上标记了盲肠内容物中的氨基酸。此外，藻类蛋白大量标记了微生物来源的门静脉代谢物：短链脂肪酸、支链脂肪酸和芳烃。实验表明：蛋白质显著地给肠道微生物提供了营养，也是主要的支链脂肪酸和芳香族代谢物的主要来源。

 

 

13C营养素静脉注射实验

接下来，为了定量宿主血液循环中的营养物质对微生物组的营养贡献，研究人员向小鼠血液循环中输入了氘化水（2H 标记）和十八种主要循环营养素（13C标记），通过测量小鼠粪便中的代谢物标记程度来考察这些输入的代谢物是否进入肠道微生物组。研究发现宿主血液循环中的水，乳酸，3-羟基丁酸以及尿素显著地为肠道微生物组提供了营养物质。

 

 

为了确定特定细菌对营养物质的偏好，研究人员进一步结合蛋白质组学技术利用细菌特异性的蛋白质序列来测定不同细菌的生长速率。研究发现厚壁菌门的大多数属更多消耗膳食蛋白质，拟杆菌门的细菌更倾向于消耗膳食纤维，而Akkermansia的循环宿主是乳酸。这些实验证明了不同的饮食通过促进偏好使用摄入的营养物质的细菌生长来重塑微生物组成分。

 

该文章中所用到的稳定同位素产品如下: