婴儿肠道微生物在人类母乳低聚糖利用过程中涌现的生态角色

《npj Biofilms and Microbiomes》：Emergent roles of infant gut microbes during the utilization of human milk oligosaccharides

　　本研究针对婴儿肠道菌群如何协作利用人类母乳低聚糖(HMOs)这一关键科学问题，通过构建七种微生物的合成群落并采用物种缺失策略，结合代谢组学和宏转录组学分析，揭示了B. bifidum作为关键基石物种通过胞外降解HMOs驱动营养互作，而B. infantis与B. thetaiotaomicron则存在激烈的营养竞争。研究阐明了HMOs调控微生物群落组装的生态学机制，为理解婴儿肠道微生态发育提供了新视角。

　　

母乳是婴儿生命初期最理想的营养来源，其中人类母乳低聚糖(Human Milk Oligosaccharides, HMOs)作为第三大固体成分，虽不能被婴儿直接消化吸收，却在塑造肠道微生物群落结构中扮演着关键角色。尤其是双歧杆菌(Bifidobacterium)等有益菌的定植与富集，与HMOs的利用密切相关。然而，在这个复杂的微生物生态系统中，不同菌种如何协作或竞争以利用HMOs？哪些物种在其中发挥着不可替代的“基石”作用？这些生态互作关系又如何影响整个群落的稳定与功能？理解这些问题对于揭示婴儿肠道健康发育的机制至关重要。

为了回答这些问题，由Tomas Proschle-Donoso和Daniel Garrido*等来自智利天主教大学的研究团队在《npj Biofilms and Microbiomes》上发表了最新研究。他们巧妙地设计了一个包含七种代表性婴儿肠道微生物（包括高效HMOs利用者如B. bifidum和B. longum subsp. infantis (B. infantis)，部分利用者如B. breve和Bacteroides thetaiotaomicron (B. thetaiotaomicron)，以及只能利用HMOs降解产物（如岩藻糖、唾液酸）的微生物如Escherichia coli (E. coli), Pediococcus acidilactici (P. acidilactici), Lachnoclostridium symbiosum (L. symbiosum)）的合成群落。研究人员采用“物种缺失”策略，即在每次实验中有意地从完整群落中移除一个特定物种，从而在生物反应器中研究该物种缺失对群落整体功能（生长动力学、HMOs消耗、代谢产物产生）和基因表达（宏转录组）的影响，以此揭示每个物种在群落中的生态角色和种间互作关系。

本研究主要运用了合成微生物群落构建与物种缺失实验、生物反应器批次培养与生长动力学分析、代谢物分析（高效液相色谱HPLC和薄层色谱TLC）、物种相对丰度定量（qPCR）以及宏转录组测序（RNA-seq）与生物信息学分析等关键技术方法。

生长动力学

研究人员首先评估了物种缺失对群落生长参数的影响。完整群落(ALL)的最大生长速率(μ_max)为0.76 h^-1，延滞期(T_lag)为7.8小时。当缺失B. bifidum (ΔBBIF)、B. breve (ΔBBRE)或P. acidilactici (ΔPACI)时，群落的生长速率显著降低，表明这些细菌对系统的协同生长有贡献。特别值得注意的是，缺失B. infantis (ΔBINF)反而导致了最短的延滞期和全局生长与HMOs消耗的加速，暗示了B. infantis与其他成员（尤其是B. bifidum）之间存在竞争关系，其缺失为其他竞争者释放了生态位。

物种相对丰度

通过qPCR分析群落组成发现，在完整群落中，B. infantis在指数期占主导，而B. bifidum在稳定期占优势。在ΔBINF和ΔBTHE条件下，B. bifidum的相对丰度显著增加，印证了它们之间的竞争。而在ΔBBIF条件下，B. infantis并未如预期那样占据优势，反而是E. coli和L. symbiosum的丰度增加，表明B. bifidum的缺失造成了资源空白，并被其他微生物所填补。

HMO消耗与代谢产物分析

HMOs的消耗模式因物种缺失而异。在ALL条件下，HMOs在12小时内开始减少，并伴随岩藻糖的积累。同时，由于2'FL和3'SL的胞外降解，培养基中乳糖浓度逐渐升高。然而，在ΔBBIF条件下，没有检测到游离单糖，乳糖也未积累，这直接证实了B. bifidum是HMOs胞外降解和降解产物（如乳糖）释放的主要执行者。在代谢产物方面，ΔBBIF导致了最高的乙酸浓度，而ΔBINF则产生了最高的乳酸浓度。ΔBBRE条件下琥珀酸产量较高，这与B. thetaiotaomicron的过度生长相关。

相关性分析

主成分分析(PCA)显示，ΔBTHE和ΔBINF的代谢特征非常相似，而ALL和ΔECOL在指数期独成一类。相关性网络分析进一步揭示，在指数期，B. bifidum的丰度与唾液酸(NeuAc)和乳酸浓度显著正相关；而在稳定期，B. thetaiotaomicron与琥珀酸产量正相关，B. bifidum则与生物量生产正相关。这些结果从统计学角度印证了不同物种的代谢功能。

宏转录组变化

宏转录组分析揭示了物种缺失引起的全局基因表达重塑。两个主要的模式浮现出来：竞争释放下的生态位扩张和依赖于交叉喂养的互作关系。

在ΔBBIF（缺失B. bifidum）条件下，B. infantis和B. breve显著上调了多个HMOs转运和降解基因（如LNB/GNB簇、岩藻糖苷酶、唾液酸苷酶基因）以及GlcNAc、半乳糖、岩藻糖和NeuAc的发酵途径相关基因。这表明，当强大的竞争者B. bifidum不存在时，这些细菌迅速扩张了其营养利用范围。

相反，E. coli在ΔBBIF、ΔBINF和ΔBTHE条件下，普遍下调了岩藻糖、NeuAc和半乳糖利用相关的基因，表明其代谢这些糖的能力在很大程度上依赖于其他细菌（很可能是B. bifidum）的降解活动来提供底物。P. acidilactici也表现出类似的依赖性。这突出了交叉喂养在群落中的重要性。

此外，在ΔECOL（缺失E. coli）条件下，B. breve显著上调了HMOs利用模块和中心代谢基因，表明两者存在激烈的营养竞争。类似的生态位扩张也见于ΔBINF和ΔBTHE中的B. bifidum，以及ΔBBRE中的B. thetaiotaomicron。

生态互作的数学建模

为了量化HMOs降解动力学，研究人员建立了一个常微分方程模型。参数敏感性分析表明，LNT、2'FL、3'SL和乳糖的胞外水解常数(k1-k4)是影响群落动态的最关键参数。模型模拟证实，B. bifidum的缺失显著降低了所有HMOs的降解速率，而B. infantis或B. thetaiotaomicron的缺失则加速了HMOs的消耗，这与实验观察到的B. bifidum在竞争释放后的生态位扩张现象一致。

本研究通过多组学整合分析，清晰地描绘了一幅婴儿肠道微生物在利用HMOs过程中复杂的互作图景。B. bifidum被确认为一个关键的基石物种，它通过胞外降解HMOs，“无私”地释放乳糖等简单糖类，支持了广泛的交叉喂养互作，驱动了群落的组装。而B. infantis和B. thetaiotaomicron则作为强烈的竞争者，主要通过细胞内机制利用HMOs，其缺失会为其他物种（尤其是B. bifidum）创造生态位扩张的机会。B. breve表现出一定的协作性，能释放岩藻糖等物质，而E. coli则强烈依赖于其他菌提供的降解产物。P. acidilactici和L. symbiosum分别在乳糖和唾液酸利用中扮演角色。

这些发现具有重要的科学意义。它们从机制上解释了HMOs如何通过调控微生物间的竞争与协作关系来塑造婴儿早期的肠道菌群。在应用层面，研究提示，高效HMOs利用菌如B. infantis的减少（这在工业化国家婴儿中常见）可能会改变肠道的代谢环境，影响健康发育。通过补充特定的HMOs或益生菌来调控这种生态平衡，可能成为促进婴儿肠道健康的新策略。然而，研究也指出了其局限性，如简化模型的复杂性不足以及可能存在的优先效应等，未来的研究需要在更接近真实肠道的模型中进行验证。总之，这项工作深化了我们对婴儿肠道微生态系统基本规则的理解，为未来的微生态干预提供了重要的理论依据。