肠道微生物利用AlsE酶代谢稀有糖D-阿洛酮糖的机制研究及其在代糖开发中的意义

本研究针对人工甜味剂引发的胃肠道问题，揭示了肠道菌群代谢稀有糖D-阿洛酮糖(D-allulose)的关键酶AlsE的分布规律。通过基因组学分析和实验验证，发现仅15.8%健康人肠道菌群携带alsE基因，且Clostridium innocuum通过独特AlsE同源物实现D-阿洛酮糖代谢。该发现为开发低胃肠刺激的代糖提供了理论依据，发表于《Communications Biology》。

　　

甜蜜的困境与微生物的解答
全球肥胖和糖尿病 epidemic 愈演愈烈，41.9%的美国成年人受肥胖困扰，14.8%患有糖尿病。传统人工甜味剂虽能降低热量摄入，却常导致腹胀、腹泻等胃肠不适，甚至可能通过改变肠道菌群加剧糖代谢异常。在这场健康与口感的博弈中，稀有糖D-阿洛酮糖(D-allulose)因其70%的小肠吸收率和仅为蔗糖10%的热量值崭露头角，但残留30%进入结肠的D-阿洛酮糖会如何影响肠道菌群，始终是悬而未决的科学问题。

美国马里兰大学等机构的研究团队在《Communications Biology》发表重要成果，首次系统揭示了肠道菌群代谢D-阿洛酮糖的"分子钥匙"——D-阿洛酮糖-6-磷酸3-差向异构酶(AlsE)的分布规律。通过结合生物信息学预测与微生物培养实验，研究人员发现：尽管Escherichia coli基因组编码alsE基因，但天然状态下无法利用D-阿洛酮糖；而厌氧菌Clostridium innocuum 6_1_30则通过35%相似度的AlsE同源酶实现高效代谢。更令人惊讶的是，宏基因组分析显示仅15.8%健康人肠道存在alsE基因，且GTDB数据库85,202个细菌基因组中仅116个物种携带该基因。这些发现为开发"菌群友好型"代糖提供了关键科学依据。

关键技术方法
研究采用多组学联用策略：1) 基于GTDB数据库85,202个基因组的ProkFunFind生物信息学筛查；2) 7种代表性肠道菌的厌氧培养实验（M9培养基+D-allulose）；3) E. coli Keio敲除库的基因回补实验（pCW-lic载体系统）；4) 3,079例健康人宏基因组和675例宏转录组数据分析；5) AlphaFold2预测C. innocuum AlsE三维结构并进行分子对接。

研究结果
Investigating the potential for D-allulose utilization by gut microbes
通过BLASTp比对Klebsiella pneumoniae AlsE，在272个物种中发现Clostridium innocuum携带同源基因（50.49%相似性）。厌氧培养实验显示，C. innocuum在D-阿洛酮糖培养基中OD₆₀₀值达空白组6倍，而Escherichia coli DC10B虽含alsE却无法生长。

Limited distribution of alsE across E. coli strains
对1,324株E. coli的分析显示仅45%携带alsE，且该基因受D-阿洛酮糖前体D-阿洛糖(allose)严格调控。通过IPTG诱导表达实验证实，只有异源表达alsE的E. coli才能在D-阿洛酮糖培养基中增殖。

Identification of alsE in Clostridium innocuum
C. innocuum基因组中存在两个AlsE候选基因（ci04257/ci04568），其中ci04568邻近磷酸转移酶系统(PTS)基因簇。AlphaFold2结构预测显示其活性位点（His³²/Asp³⁵）与E. coli AlsE(3CT7)高度保守，分子 docking 证实其可结合D-阿洛酮糖。

Few gut bacterial species encode AlsE
系统发育分析发现AlsE属于COG0036(戊糖-5-磷酸3-差向异构酶)，但通过1283个同源序列构建的进化树显示AlsE形成独立分支，具有特征性氨基酸变异（如G52→S52）。GTDB数据库筛查仅发现116个AlsE阳性物种，其中103个属于Pseudomonadota门。

Presence of alsE in the healthy adult gut microbiome
3,079例健康人宏基因组中仅15.8%检测到alsE，675例宏转录组中仅7例表达该基因，证实其在肠道菌群中低丰度存在。

研究结论与意义
该研究首次绘制了肠道菌群D-阿洛酮糖代谢酶的全景图谱，揭示了三重生物学屏障：1) 仅15.8%人群肠道菌群携带alsE；2) 携带菌株中多数需特定诱导条件；3) AlsE在进化上高度保守且分布局限。这解释了为何临床研究显示D-阿洛酮糖（0.5g/kg剂量）不会引起显著胃肠不适。

研究创新性在于：1) 发现C. innocuum通过重构的PTS-alsE通路实现D-阿洛酮糖代谢；2) 阐明E. coli alsE的"休眠"特性；3) 建立alsE基因的快速筛查流程。为糖尿病患者的个性化营养策略提供了新思路——通过检测肠道alsE基因存在情况，可精准选择胃肠反应最小的代糖方案。未来研究需关注长期摄入是否会选择出新型D-阿洛酮糖代谢菌株，以及该稀有糖对特定病原体（如K. pneumoniae）的潜在促生长效应。