综述：设计膳食纤维：通过工程化碳水化合物结构精准调控人体肠道微生物组

《Current Opinion in Biotechnology》：Designed dietary fibers: engineering carbohydrate structure for precision modulation of the human gut microbiome

本综述系统阐述了“设计膳食纤维”这一新兴领域，即通过生物技术合成（de novo）或对天然多糖进行提取后精细修饰，以精确调控其物理化学结构，从而实现对人类肠道微生物组的靶向干预。文章提出了基于精细结构控制程度的分级框架，总结了当前碳水化合物修饰策略（物理、化学、生物技术），并展望了该领域未来发展方向，旨在为开发可重现、理性设计的微生物组靶向纤维提供见解。

　　

设计膳食纤维的起源

膳食纤维对动物消化的益处已被认识超过200年，但其对人类营养和健康的影响直到20世纪60年代末70年代初才获得广泛关注。1969年，Denis Burkitt在研究习惯性纤维摄入量远高于其祖国英格兰的非洲人群时提出，缺乏膳食纤维的饮食会导致肠癌和其他非传染性肠道疾病的发展。这标志着人们开始认识到特定膳食纤维结构对健康的影响。

设计膳食纤维的演变

设计膳食纤维的发展与那些被认为能促进健康的肠道微生物物种（这些物种后来构成了益生菌定义的基础）的鉴定是共同演化的。最初的目标物种是乳酸杆菌（Lactobacillus）和双歧杆菌（Bifidobacterium）属的成员，人们认为它们主要通过发酵和酸化肠道内环境、从而抑制病原体来发挥有益作用。出于选择性促进这些微生物生长的愿望，益生元的概念应运而生。设计纤维随之进化，从简单的、广泛作用的纤维（如菊粉）发展到结构更明确、目标更具体的寡糖和多糖。

纤维结构与功能的设计方法

科学文献中描述了多种修饰纤维的方法。这些方法可以是物理的、化学的或生物技术的，并且经常结合使用——工艺及其复杂程度的微调取决于所需的修饰。此外，这些工艺的技术复杂性范围很广，从非常简单和普遍的（如热处理）到尖端的方法（如使用特定糖基转移酶进行精确残基延伸）。关键方法包括通过酶法或化学方法控制聚合度、修饰糖苷键类型和位置、以及引入特定官能团，从而创造出能被特定微生物亚群优先利用的独特结构。

纤维设计用于微生物组功能的未来展望

随着肠道微生物在健康和疾病中作用的证据不断增多，利用纤维作为非侵入性方法调节结肠微生物组以促进健康的兴趣激增。天然膳食纤维的植物学变异性等挑战，为建立饮食干预与微生物组结果之间可重现的联系设置了障碍。这种变异性包括纤维含量、组成和精细结构等因素，所有这些都会显著影响其发酵特性和微生物学结果。设计膳食纤维通过提供明确且一致的结构，为克服这些挑战提供了途径，从而能够更精确地研究结构-功能关系，并开发出可预测效果的靶向干预措施。未来的方向包括利用合成生物学工具设计新型纤维、整合多组学数据以了解微生物对纤维的利用网络，以及开发个性化营养方案。尽管近期取得了进展，但微生物组靶向纤维的合理、可重现设计仍有巨大潜力尚未实现。