肠道微生物具有非常丰富的代谢酶，将进入的营养物质转化成一系列肠道微生物代谢物，这其中的一些会进入宿主血液循环系统，并有着重要的生理病理学作用。为了维持肠道微生物细菌在体内的生长代谢，需要有持续的营养摄入。这一部分进入微生物组的营养是从哪来的?不同饮食如何塑造肠道微生物族群?最近，一项研究揭示了宿主血液循环中的乳酸会穿过肠道璧进入肠道微生物组，但是是否也有其他宿主营养物质从血液循环中返回肠道微生物组并为其提供营养?
2022年9月1日，来自普林斯顿大学的课题组(第一作者为曾宪丰博士)，来自加州大学尔湾分校的课题组和普林斯顿大学的课题组合作发表了文章。文章通过结合同位素示踪，代谢组学和蛋白组学技术，研究了肠道细菌在不同菌属在体内的营养偏好。
研究首先使用了13C-同位素标记的不同饮食营养物质对小鼠进行灌胃，通过分析盲肠内容物和门静脉的代谢物被标记的程度来分析不同营养物质是否进入肠道微生物。这些实验发现13C-可溶性膳食纤维(菊粉)相比于常见的淀粉标记显著更多的门静脉短链脂肪酸，从而成为给肠道微生物组提供主要营养物质的膳食。同样地，相对于氨基酸来说，蛋白质也显著更多地给肠道微生物提供了营养，蛋白质也是主要的支链脂肪酸和芳香族代谢物的主要来源。
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，作者向小鼠血液循环中输入了13C-或者15N-标记的常见代谢物，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。这些实验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。
上述的研究都是将肠道微生物组作为一个整体进行研究，无法观察不同肠道细菌的特异性。那么，是否有一种方法能够同时测量不同肠道细菌的代谢过程?为此，作者结合同位素标记和蛋白组的手段，将同位素标记的盲肠内容物进行蛋白组分析，通过比较不同细菌特异性的多肽被同位素标记的程度，实现了体内对于不同肠道细菌营养偏好的体内定量。
作者首先测量了不同细菌对于菊粉，海藻蛋白和宿主乳酸的营养偏好。作者发现拟杆菌属和以梭菌属为代表的厚壁菌门的细菌更为偏好菊粉，而厚壁菌门的细菌也偏好蛋白质作为营养物质，而Akkermansia则显著地偏好宿主乳酸。
为了验证这里测量的营养偏好，作者将小鼠放在高膳食纤维(菊粉)或者高蛋白的饮食下两天，通过16S rRNA基因扩增测序测量不同肠道微生物组的变化。实验发现，高膳食纤维饮食下，拟杆菌的相对比例增加了4倍，而梭菌属的比例增加了2倍，这些结果符合测得的体内营养偏好给出的估计。同样地，高蛋白饮食增加了厚壁菌门的相对含量。这些实验也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。
总之，该研究提出了一种新颖的手段合并同位素标记，代谢组和蛋白组来研究肠道微生物的代谢。同时也指出了由于受到仪器分辨率，有限的细菌蛋白组数据库信息的限制，此工作的定量主要基于肠道菌属的层面。作者也指出一些其他并行的手段，比如通过流式细胞仪分离不同细菌，将会给本研究的结果进行进一步的验证和提供更多的不同细菌代谢的信息。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.020
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