基因组学与人工智能工具整合揭示植物乳杆菌L123的嘌呤降解机制及安全性研究

本研究针对高尿酸血症治疗中药物副作用大、饮食控制影响肠道菌群平衡等问题，通过整合基因组学、人工智能（AI）工具CLEAN和实验验证，系统解析了新型富硒益生菌植物乳杆菌L123的嘌呤降解通路与安全性。研究发现L123携带新型嘌呤代谢基因簇（包括5-羟基异尿酸水解酶HIUHase），可将尿酸高效转化为尿囊素（转化率提升1.82倍），且无溶血活性和毒力因子。该研究为开发安全高效的嘌呤降解益生菌提供了理论依据和技术支撑，发表于《Journal of Future Foods》。

　　

高尿酸血症已成为仅次于糖尿病的第二大代谢性疾病，长期尿酸水平升高不仅会引发痛风，还会损伤肝肾、心血管和神经系统功能。目前临床主要依赖别嘌醇等药物抑制尿酸生成或苯溴马隆促进排泄，但这些药物常伴随胃肠道出血、肝肾损伤等副作用。饮食调控虽能辅助治疗，但长期低嘌呤饮食会破坏肠道菌群平衡。因此，寻找安全高效的嘌呤降解微生物成为研究热点。乳酸菌作为公认安全的益生菌，其嘌呤降解机制却长期未被阐明，尤其缺乏对尿酸直接降解途径的认知。

来自中国的研究团队以广西壮族自治区富硒发酵茶中分离的植物乳杆菌L123为研究对象，通过第三代PacBio测序技术完成全基因组测序（3,428,372 bp），结合人工智能工具CLEAN和传统生物信息学分析，系统解析了该菌株的嘌呤代谢通路与安全性特征。研究采用的关键技术包括：全基因组组装与功能注释（Flye、COG/KEGG/GO数据库）、机器学习辅助酶功能预测（CLEAN对比学习框架）、重组蛋白表达（pET-22b(+)载体/E. coli BL21系统）以及抗生素敏感性测试（Kirby-Bauer法）。

3.1 菌株形态与基因组特征
电镜观察显示L123呈短杆状（0.9–1.2 μm×2.0–5.0 μm），基因组含3,266个编码基因和14个CRISPR序列，未发现致病岛。其染色体外存在3个质粒（83/35/17 kb），CRISPR系统可能赋予其对噬菌体的防御能力。

3.4 嘌呤代谢通路基因挖掘
传统BLASTp分析鉴定出嘌呤核苷酶（EC:3.2.2.1）、腺嘌呤脱氨酶（EC:3.5.4.2）等4种嘌呤降解酶。创新性采用AI工具CLEAN预测出两个5-羟基异尿酸水解酶（HIUHase）候选基因（L123-orf00430/02481），其中L123-orf02481经实验验证可提升尿酸至尿囊素的转化效率至97.6%（对照组66.8%），催化速率达0.325 mmol/L/min。值得注意的是，该菌株虽能高效降解尿酸，但未发现黄嘌呤氧化酶（XOD）和尿酸氧化酶（UOX）的同源基因，提示可能存在新型嘌呤降解机制。

3.6 耐药性分析
药敏试验显示L123对青霉素、氯霉素等13种抗生素敏感，仅对林可霉素等7种耐药。基因组筛查发现34个潜在耐药基因（如vanUG、lnrD），但符合EFSA标准的基因未被检出。特别值得注意的是，该菌株对庆大霉素、利福平等抗生素的敏感性优于其他植物乳杆菌菌株。

3.7 安全性验证
VFDB数据库比对发现24个毒力因子（如胆汁盐水解酶），但均广泛存在于安全菌株中。哥伦比亚血平板实验证实其无溶血活性（γ-hemolysis），且关键毒力基因gelE、hyl等均未检出。

该研究首次通过多组学整合策略揭示了植物乳杆菌L123的完整嘌呤降解通路，特别是发现HIUHase（EC 3.5.2.17）在尿酸转化中的关键作用。相较于传统药物，该菌株兼具高效嘌呤降解能力（尿囊素产量提升82%）与优异安全性（无溶血、低耐药性），为开发"菌-食-药"协同抗高尿酸血症方案提供了新思路。研究还展示了AI工具CLEAN在酶功能注释中的优势，其对比学习框架能有效识别传统方法遗漏的HIUHase，为微生物功能基因组研究提供了方法学参考。未来研究可进一步解析其未知的尿酸直接氧化机制，并探索CRISPR系统在菌株适应性进化中的作用。