文章题目：Fermentation of alginate and its derivatives by different enterotypes of human gut microbiota: Towards personalized nutrition using enterotype-specific dietary fibers

发表期刊：International Journal of Biological Macromolecules

影响因子：8.025

通讯单位：中国海洋大学、青岛海洋生物医药研究院

通讯作者：于广利、尚庆森

        人体肠道菌群依据结构组成可分为3种肠型，即拟杆菌肠型、普雷沃氏菌肠型和肠杆菌肠型。同血型一样，肠型不受性别、种族、年龄和地域等因素的影响，具有广泛的普适性。褐藻胶作为添加剂在食品工业中应用广泛，前期研究发现，其经口服到达胃肠道后可以被肠道菌群降解。然而，人体肠道菌群结构差异巨大，不同肠型的菌群如何发酵利用褐藻胶并未得到完全阐明。中国海洋大学医药学院于广利教授和青岛海洋生物医药研究院尚庆森副教授团队对不同肠型人体肠道菌群的褐藻胶发酵利用特征进行了深入系统地研究。文章首先选取30个生活在山东青岛的健康志愿者的粪便样本进行肠型归属分类。在所有30个人中，作者共发现1个肠杆菌肠型样本（F1），9个普雷沃氏菌肠型样本（F3-F6，F11，F18，F22，F28和F29）和20个拟杆菌肠型样本（其余样本）。上述研究结果提示健康人群中的绝大部分个体的肠型为拟杆菌肠型或普雷沃氏菌肠型。

图1 健康志愿者的肠型归属及分类

        通过自主开发的人体肠道菌群体外模拟发酵技术，作者进一步对不同肠型肠道菌群的褐藻胶发酵利用特征进行了研究。研究发现，不同肠型的菌群对褐藻胶及其衍生物（聚古罗糖醛酸和聚甘露糖醛酸）的发酵利用能力存在显著差别。综合而言，拟杆菌肠型的菌群具有最强的发酵利用聚古罗糖醛酸和聚甘露糖醛酸的能力，普雷沃氏菌肠型的菌群次之，肠杆菌肠型的菌群能力最差。

图2 不同肠型的菌群对褐藻胶及其衍生物的发酵利用

        通过16S rRNA高通量测序分析作者发现，不同肠型的肠道菌群在发酵利用褐藻胶及其衍生物的过程中受到了不同功能菌株的驱动。进一步研究表明，不同功能菌株通过互作形成小的微生态群落共同完成了褐藻胶及其衍生物的降解利用过程。

图3 不同肠型菌群发酵利用褐藻胶及其衍生物的群落生态变化

        通过LEfSe生物信息学分析作者进一步解析了不同肠型中驱动褐藻胶降解的功能菌株。研究表明，在肠杆菌肠型中，驱动褐藻胶降解的主要为大肠杆菌，双歧杆菌和肠球菌等；在拟杆菌肠型中主要为拟杆菌和厌氧棒杆菌；在普雷沃氏菌肠型中主要为另枝杆菌、丁酸球菌等。不同功能细菌具有不同的代谢功能，不同代谢功能的细菌决定了不同肠型之间菌群对褐藻胶及其衍生物的降解利用差异。

图4 LEfSe分析不同肠型菌群发酵利用褐藻胶的关键功能菌株

        通过PICRUSt肠道菌群代谢功能分析作者发现，与褐藻胶及其衍生物的降解能力相匹配，拟杆菌肠型的菌群具有最强的碳水化合物转运和代谢功能，普雷沃氏菌肠型的菌群次之，肠杆菌肠型的菌群最差。

图5 PICRUSt分析不同肠型菌群的代谢功能

        通过HPLC，作者进一步发现，在发酵利用褐藻胶及其衍生物的过程中，降解能力最强的拟杆菌肠型的菌群产生最多的对人体有益的短链脂肪酸（SCFAs），而降解能力最差的肠杆菌肠型的菌群则产生最少的对人体有益的SCFAs。上述研究结果进一步佐证了不同肠型菌群的代谢差异，为基于肠道菌群肠型的个体化营养学研究奠定了基础。

图6 不同肠型菌群发酵利用褐藻胶及其衍生物产SCFAs分析

        近年来，随着全民保健时代的到来，个体化饮食和精准营养受到广泛关注。然而，究竟如何实现个体化饮食和精准营养目前仍然存在诸多挑战。褐藻胶是一种最为广泛食用的海洋膳食纤维，本研究从肠道菌群肠型出发，首次系统阐明了不通肠型人体肠道菌群对褐藻胶类膳食纤维的代谢差异，具有重要意义。根据本研究的结果，作者首次提出了基于肠道菌群肠型的个体化膳食纤维理念。该理念认为，不同肠型肠道菌群的结构和功能存在巨大差异，因此其对膳食纤维的降解利用能力存在显著差别。我们应该依据个体的独特肠型设计或者复配不同的膳食纤维，这样才能达到最好的肠道菌群调节效果并实现膳食纤维营养学效应的最大化。综上所述，本研究首次系统阐明了不同肠型肠道菌群代谢褐藻胶类膳食纤维的个体差异并提出了基于肠型的个体化膳食纤维理念，为海洋大健康产品的设计开发提供了新思路。

图7 基于人体肠道菌群肠型的个体化膳食纤维理念

        该课题组长期致力于肠道菌群和天然多糖的互作关系研究，在肠道菌群的体外模拟发酵、肠道功能菌株的分离筛选、多糖的肠道菌群代谢机制和新一代益生菌的开发研究方面具有重要积累，欢迎对本领域有研发兴趣的企业或高校课题组洽谈合作。

原文信息：
Fu T, Pan L, Shang Q, Yu G. Fermentation of alginate and its derivatives by different enterotypes of human gut microbiota: Towards personalized nutrition using enterotype-specific dietary fibers. International Journal of Biological Macromolecules, 2021;183:1649-1659. doi:10.1016/j.ijbiomac.2021.05.135

作者：尚庆森

审核：李全才

编辑：邵萌

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