植物β-葡聚糖驱动的人体肠道菌群对人工纤维素衍生物的代谢机制研究

本研究首次揭示人体肠道拟杆菌门（Bacteroidota）在植物β-葡聚糖（MLG/XyG）诱导下可代谢食品和药物中的人工纤维素衍生物（如CMC/E466、HPMC/E464），通过多糖利用位点（PULs）调控GH5家族内切葡聚糖酶（GH5_4/GH5_21）的侧链活性，挑战了传统认为纤维素醚不可代谢的认知，为饮食-菌群-健康互作提供了新视角。

　　

引言

人工纤维素衍生物如羧甲基纤维素（CMC/E466）、甲基纤维素（MC/E461）等作为食品添加剂和药物辅料被广泛摄入，但传统观点认为这些β(1,4)-葡聚糖醚类在单胃动物肠道不可代谢。本研究聚焦拟杆菌门（Bacteroidetes）成员，探究其通过植物β-葡聚糖诱导的代谢潜能。

研究结果

植物β-葡聚糖的“启动效应”
8株代表性肠道菌（含2株拟杆菌属和6株塞加托菌属）在纯纤维素衍生物中均不生长，但添加0.5 g/L混合链接β-葡聚糖（MLG）或木葡聚糖（XyG）后，塞加托菌（如S. copri DSM18205）对CMC、HPMC等表现出菌株特异性代谢增强。例如，MLG使S. copri在CMC上的生物量提升300%，而XyG对HPMC代谢有抑制作用，显示底物-菌株互作复杂性。

关键酶机制解析
通过RT-qPCR和酶学分析发现：

1. MLG-PUL的GH5_4内切酶（NQ544_01010）对CMC、HEC有微弱活性（<5% MLG活性）；
2. 共调控的GH5_4（NQ544_02230）展现广谱活性，对HPMC的K_m为2.3 mM，k_cat达0.8 s^?1；
3. XyG-PUL的GH5_4（NQ544_02190）虽以木葡聚糖酶为主，但延长孵育可检测CMC水解。

动力学与生理意义
米氏动力学显示，纤维素衍生物的k_cat/K_m比天然底物低1-2个数量级，解释其有限代谢。成年人日均摄入25 mg/kg CMC，在膳食纤维存在时可能被部分转化为生物可利用糖，但聚合物抑制作用（如HEC延长滞后期）提示需平衡评估。

讨论

本研究颠覆了纤维素醚“惰性”的传统认知，揭示拟杆菌门通过PUL系统的“双底物协同”代谢策略。未来需拓展至厚壁菌门（如瘤胃球菌）及临床研究，以评估其在炎症性肠病或代谢综合征中的潜在影响。

材料与方法

采用厌氧培养（90% N₂/5% CO₂/5% H₂），通过微孔板读数仪监测A₆₀₀；重组酶经大肠杆菌表达纯化，BCA法测定还原糖；引物效率（90%-110%）确保RT-qPCR可靠性。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献结论）