人类肠道双歧杆菌碳水化合物利用异质性的整合基因组重建揭示益生菌精准设计新策略

本研究通过整合基因组学方法，系统解析了3,083株人源双歧杆菌的碳水化合物代谢网络，构建了包含68条代谢途径和589个功能基因的预测模型。研究团队验证了38种表型预测的准确性（94%），首次发现孟加拉国菌株特有的木葡聚糖(XGL)和母乳低聚糖(HMO)利用基因簇，揭示了B. longum新亚种(Bl.nov.)的α-葡聚糖代谢特征。该研究为针对不同人群开发精准化益生菌/合生元制剂提供了基因组学框架，论文发表于《Nature Microbiology》。

　　

在人类肠道微生物组中，双歧杆菌(Bifidobacterium)作为重要的有益菌群，其碳水化合物代谢能力直接影响宿主的健康状态。然而，现有研究存在三大瓶颈：菌株水平代谢异质性认知不足、非西方人群菌株资源匮乏、以及表型预测准确性受限。特别是在发展中国家儿童营养不良干预中，传统益生菌株的定植失败现象（如孟加拉国婴儿中Bl. infantis的移植失败）凸显了精准化菌株选择的必要性。

美国斯克里普斯研究所（Scripps Research Institute）的研究团队通过整合基因组学与实验验证，系统绘制了双歧杆菌碳水化合物代谢图谱。研究收集了来自不同地域的3,083个基因组（含孟加拉国和马拉维特色菌株），创新性地结合机器学习与手动注释构建了glycobif预测管道。相关成果以封面论文形式发表于《Nature Microbiology》。

关键技术包括：① 多源基因组整合（263个参考基因组+2,820个扩展基因组）；② 亚种水平系统发育分析（487个核心基因）；③ 589个功能角色的代谢网络重建；④ 随机森林模型构建（68条途径预测准确率94%）；⑤ 30株地理多样性菌株的表型验证（43种底物）；⑥ HPLC糖谱分析（19种HMO结构）；⑦ RNA-seq转录调控解析（XGL/HMO基因簇）。

主要结果

Curated metabolic reconstruction from reference genomes

通过487个核心基因的系统发育分析，将263个参考基因组划分为19个分类单元，包括B. longum新鉴定的Bl.nov.亚种。手动注释优化了76.6%的基因功能预测，特别是转运蛋白（90%精度提升）。重建的68条代谢途径包含18种单糖、39种寡糖和11种多糖利用通路。

Interspecies diversity in glycan utilization

非度量多维标度(NMDS)分析显示91%的变异由物种差异解释。B. bifidum专性利用宿主粘蛋白O-糖链和HMO，而Bl. infantis和Bl. longum分别适应母乳（HMO）和植物多糖（阿拉伯木聚糖AX）。引人注目的是，Bl.nov.亚种进化出独特的α-1,4/α-1,6糖苷键水解酶ApuB(GH13_14_32)，赋予淀粉/支链淀粉降解能力。

Unique glycan utilization features of Bangladeshi strains

孟加拉国菌株Bc. kashiwanohense Bg42221_1E1携带新型xgl基因簇，其GH5_4家族内切葡聚糖酶与Paenibacillus xyloglucanase保守催化残基相同。另一株Bc. kashiwanohense拥有H1基因簇变体，可通过NagR调控的ABC转运体摄入乳糖-N-新四糖(LNnT)。这些特征在西方菌株中罕见，反映了饮食适应性进化。

Growth-based validation of predicted glycan utilization

表型验证显示：Bl.nov.LFYP82是唯一能利用淀粉/支链淀粉的B. longum菌株；携带xgl簇的菌株可降解罗望子木葡聚糖；而B. adolescentis M56B_1C3意外具有2'-岩藻糖基乳糖(2'FL)利用能力。HPLC证实含H1簇的菌株可消耗86%的HMO（含唾液酸化结构），而FHMO簇菌株特异性利用岩藻糖基化HMO。

讨论与意义

该研究创建了迄今最完整的双歧杆菌碳水化合物代谢数据库，其重要意义体现在：① 发现Bl.nov.亚种代表新的生态型，填补了α-葡聚糖利用菌株的认知空白；② 揭示孟加拉国菌株特有的XGL/HMO双代谢能力，为地域定制化益生菌开发提供靶点；③ 验证的glycobif预测管道（94%准确率）可加速功能基因组学研究；④ 证实HMO利用表型与基因簇变体（H1/FHMO）的直接关联，指导合生元配伍设计。这些发现为针对母乳喂养、断奶期和成人膳食等不同营养阶段的微生物组干预提供了理论框架。

研究也存在样本地域偏差（西方基因组占比高）等局限，作者呼吁加强全球微生物资源建设的伦理合作。未来研究可结合代谢模型和人群试验，进一步验证预测菌株在营养不良干预中的实际效益。