你是否曾在品嘗美食時好奇，那些在我們腸道中辛勤工作的微生物是如何影響我們健康的？是否想過，我們所吃的食物如何在體內(nèi)引發(fā)一場微生物的“變革”？最近，兩項突破性的研究為我們揭示了腸道微生物與飲食中的化合物和藥物之間的復(fù)雜關(guān)系，讓我們對“內(nèi)在世界”的理解更進(jìn)一步。想象一下，當(dāng)我們享用一頓豐盛的晚餐時，不僅是我們的味蕾在享受，我們腸道中的微生物也在進(jìn)行一場熱鬧的“晚宴”。它們不僅參與食物的消化，還能將某些化合物轉(zhuǎn)化為對我們有益的抗生素，或是將有害物質(zhì)解毒。這些微生物與我們的飲食相互作用，共同塑造了我們的健康圖景。

最新的科研發(fā)現(xiàn)中，研究者們通過深入的實驗和分析，向我們展示了腸道微生物如何將我們攝入的化合物轉(zhuǎn)化為影響我們健康的關(guān)鍵因素。這些發(fā)現(xiàn)不僅為我們打開了一扇了解腸道微生物世界的窗口，也為我們提供了調(diào)節(jié)腸道健康、預(yù)防疾病的新思路接下來，讓我們一起探索這些令人興奮的研究成果，了解腸道微生物如何成為我們健康的守護(hù)者，以及我們?nèi)绾瓮ㄟ^飲食來培養(yǎng)一個更健康的腸道環(huán)境。

01、膳食交響：腸道微生物的轉(zhuǎn)化之舞

2024年9月24日，美國耶魯大學(xué)的Andrew L. Goodman教授團(tuán)隊在Cell上發(fā)表了題為“Microbial transformation of dietary xenobiotics shapes gut microbiome composition”的研究論文。該研究精細(xì)繪制了超過150種小分子膳食異物的腸道微生物群互動圖譜，深入探討了這些化合物對微生物群落組成的影響、人體腸道微生物對這些異物的代謝過程，以及不同個體間的差異。研究揭示，微生物的代謝作用能夠?qū)@些化合物進(jìn)行毒化與解毒，進(jìn)而產(chǎn)生新的相互作用，闡釋了膳食異物如何引導(dǎo)微生物群落的重塑過程。這一成果系統(tǒng)地展現(xiàn)了膳食異物與腸道微生物群之間的復(fù)雜互動，并將毒化與解毒過程與微生物群對膳食反應(yīng)的個體差異緊密相連。

為了深入探究腸道微生物如何代謝膳食外源性物質(zhì)，以及這些代謝產(chǎn)物如何影響細(xì)菌生長和群落結(jié)構(gòu)，研究人員選取了29份來自健康捐獻(xiàn)者的糞便樣本，并與22種膳食外源性物質(zhì)進(jìn)行了體外共培養(yǎng)，運(yùn)用代謝組學(xué)分析技術(shù)測量了化合物的代謝情況。結(jié)果顯示，不同腸道微生物群落對各類化合物的代謝能力存在顯著差異，這揭示了腸道微生物在代謝膳食外源性物質(zhì)方面的多樣性，這種多樣性可能是導(dǎo)致個體間對膳食反應(yīng)差異的關(guān)鍵因素。

進(jìn)一步研究中，研究人員探討了膳食外源性物質(zhì)對腸道微生物群落組成的影響。通過將140種膳食外源性物質(zhì)與四種不同的腸道微生物群落進(jìn)行體外共培養(yǎng)，并采用16S rRNA測序技術(shù)分析了群落組成的變化，研究發(fā)現(xiàn)有25種化合物能夠顯著重塑至少一種腸道微生物群落，其中10種化合物甚至能同時影響所有四種群落，主要歸因于這些化合物的毒性。因此，膳食外源性物質(zhì)能夠通過改變腸道微生物群落的組成，間接影響宿主的健康。

此外，研究人員還將94種膳食外源性物質(zhì)與四種腸道微生物群落共培養(yǎng)，并提取了小分子物質(zhì)，用于抑制七種代表性腸道共生菌的生長，旨在探討腸道微生物如何改變膳食外源性物質(zhì)的毒性。實驗發(fā)現(xiàn)，有11種化合物在體外培養(yǎng)過程中被代謝產(chǎn)生了有毒的代謝產(chǎn)物，而它們的原始形態(tài)并不具備毒性。這些有毒代謝產(chǎn)物能夠抑制腸道共生菌的生長，進(jìn)而影響群落結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)表明，腸道微生物通過代謝作用能夠轉(zhuǎn)變膳食外源性物質(zhì)的毒性，從而對腸道微生物群落的組成產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

圖1 機(jī)制圖（圖源：Elizabeth, et al., Cell, 2024）

02、藥物試煉：腸道菌群的應(yīng)變之道

同日，Cell上發(fā)表了另一項由歐洲分子生物學(xué)實驗室的Athanasios Typas教授團(tuán)隊領(lǐng)銜的研究，題為“Emergence of community behaviors in the gut microbiota upon drug treatment”，探討了腸道菌群在藥物處理下出現(xiàn)群落行為的機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，與單一細(xì)菌相比，復(fù)雜的微生物群落可以保護(hù)其成員免受藥物影響，或者使敏感的成員變得更加敏感。藥物生物轉(zhuǎn)化和生物積累是群落保護(hù)的關(guān)鍵機(jī)制，但在高藥物濃度下會被破壞。這些發(fā)現(xiàn)有助于我們更好地理解藥物-腸道菌群相互作用，并為設(shè)計更有效的藥物和減少不良影響提供新的思路。

本研究旨在深入剖析藥物對腸道菌群的影響，尤其是在復(fù)雜菌群環(huán)境中的具體作用機(jī)制。雖然藥物已被證實能夠直接抑制腸道細(xì)菌的生長，但其對整個腸道菌群的影響仍是一個未解之謎，且目前的研究主要局限于特定藥物與特定菌群之間的相互作用。為了填補(bǔ)這一研究空白，研究人員精心構(gòu)建了一個包含32種代表性腸道細(xì)菌物種的合成菌群，這些物種在健康人體腸道菌群中占據(jù)主導(dǎo)地位。同時，研究選取了30種具有代表性的藥物進(jìn)行系統(tǒng)篩選。通過將藥物引入菌群并細(xì)致觀察其對每個物種的影響，同時利用16S rDNA測序和代謝組學(xué)分析技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)有26%的藥物-細(xì)菌相互作用中觀察到了菌群行為的出現(xiàn)，表明藥物在單一細(xì)菌與整個菌群環(huán)境中的影響存在顯著差異。研究結(jié)果表明，在低藥物濃度下，菌群展現(xiàn)出了更強(qiáng)的生存韌性，而在高藥物濃度下，菌群的保護(hù)作用減弱，藥物的敏感化作用則相應(yīng)增強(qiáng)。藥物在菌群中的轉(zhuǎn)化和積累過程是菌群保護(hù)作用的關(guān)鍵所在，特定物種通過表達(dá)硝基還原酶來降解藥物，從而保護(hù)整個菌群免受損害。綜上所述，藥物對腸道菌群的影響與對單一細(xì)菌的影響相似，但菌群行為的普遍性不容忽視，且菌群的韌性受到藥物濃度的影響。深入理解特定物種對藥物的解毒能力，對于設(shè)計更加穩(wěn)定和高效的菌群，以減少藥物副作用或提升藥物治療效果具有重要意義。

圖2 流程圖（圖源：Sarela, et al., Cell, 2024）

03、總結(jié)

隨著這兩項開創(chuàng)性研究的發(fā)布，讓我們對腸道微生物群落如何影響我們對藥物和飲食成分的反應(yīng)有了更深入的認(rèn)識。這些研究不僅揭示了腸道微生物在藥物代謝和飲食異生物質(zhì)轉(zhuǎn)化中的關(guān)鍵作用，還強(qiáng)調(diào)了個體間差異在治療和營養(yǎng)反應(yīng)中的顯著性。腸道微生物群落是我們健康的守護(hù)者，也是我們對藥物和飲食反應(yīng)的調(diào)節(jié)者。隨著科學(xué)的進(jìn)步，我們正逐步揭開它們?nèi)绾嗡茉煳覀兘】档纳衩孛婕?。通過這些研究，我們期待能夠?qū)崿F(xiàn)更精準(zhǔn)的醫(yī)療和飲食建議，為每個人提供最適合他們內(nèi)在生態(tài)系統(tǒng)的健康方案。

04、拜譜小結(jié)

在這一微生物組學(xué)迅猛發(fā)展的背景下，拜譜生物致力于通過創(chuàng)新技術(shù)推動微生物組學(xué)研究的深入。在16s、宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組等“宏組學(xué)”系列產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對微生物組研究推出的產(chǎn)品“深度宏蛋白質(zhì)組”，通過全新Astral質(zhì)譜平臺對微生物組的蛋白質(zhì)進(jìn)行高通量定性和定量分析，實現(xiàn)萬級超高深度蛋白鑒定，并提供菌群注釋、蛋白定量分析、蛋白功能注釋、差異蛋白分析和高級分析等豐富的生信分析結(jié)果，助力揭示復(fù)雜樣本中微生物種群與共生協(xié)作關(guān)系。深度宏蛋白質(zhì)組學(xué)可以把微生物群落的基因信息和功能信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，揭示群體中發(fā)揮關(guān)鍵作用的微生物和與其相關(guān)的蛋白質(zhì)功能，在“腸腦軸”、發(fā)病機(jī)制研究、疾病分型研究等多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。拜譜生物已建立了完善成熟的轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)以及多組學(xué)聯(lián)合產(chǎn)品技術(shù)服務(wù)體系，助力高分文獻(xiàn)發(fā)表，歡迎咨詢！

參考文獻(xiàn)：

1）Culp E, Nelson N, Verdegaal A, Goodman A. Microbial transformation of dietary xenobiotics shapes gut microbiome composition. Cell. 2024 Sep 24. doi: 10.1016/j.cell.2024.08.038.

2）Garcia-Santamarina S, Kuhn M, Devendran S, Maier L, Driessen M, Mateus A, Mastrorilli E, Brochado A, Savitski M, Patil K, Zimmermann M, Bork P, Typas A.Emergence of community behaviors in the gut microbiota upon drug treatment. Cell. 2024 Sep 24. doi: 10.1016/j.cell.2024.08.037.