变废为宝！Cell：用肠道细菌"挖掘"被植物纤维"困住"的营养物质

如今，随着人口增长、气候变化等因素使粮食生产受到了前所未有的关注。最近，各种有关粮食增产的研究及其成果转化已被陆续发表。然而，一些科学家开始了“逆向思维”，即从食品“废料”中挖宝。因为每年在食品加工过程中被丢弃的部分也是一个巨大的资源。据相关数据显示，2020年，全球柑橘产量约为1.4亿吨，但只有约一半被用于加工，剩下的好几千万吨全都进了垃圾场。这些“废物”如果处理不当，还可能会对土壤和水生系统产生影响。

因此，如果能在这些食品废物中挖到“宝”将会产生一举多得的影响。那么谁能堪当此大任呢？当然是肠道细菌这个“生化大师”！

众所周知，肠道菌群对机体具有包括从心理健康到生理健康的一系列深远影响，并已得到越来越多的研究证实。

2022年6月27日，发表在《Cell》上的一项研究中，来自圣路易斯华盛顿大学领导的研究团队已鉴定出一种人肠道细菌可以从橙子废料中“挖掘”出被“困”在纤维中的营养物质。该研究强调了微生物学、食品科学和营养学之间的关系，并建立了一种利用肠道细菌"挖掘"被植物纤维"困住"的天然产物的方法，同时为阐明膳食纤维对宿主生理影响的机制提供了新的视角。

在这项新研究中，研究人员首先给定植人肠道菌群的小鼠喂食高脂肪、低纤维饮食，并在饮食中添加了10%或不添加从橙子中提取的纤维。随后，他们发现一种名为N-甲基-5-羟色胺（N-Me-5HT）的分子被释放出来，并确定是人肠道细菌与橙子纤维这一组合释放出了这种化合物。

研究人员表示，人们对N-甲基-5-羟色胺的了解相对较少，但它在结构上与5-羟色胺（血清素）非常相似，5-羟色胺是一种神经递质，在情绪、睡眠和身体其他关键功能中发挥重要作用。

随后，研究人员测试了49种不同种类的人肠道细菌，发现卵形拟杆菌（Bacteroides ovatus）能有效从橙子纤维中“挖掘”出N-Me-5HT。

分子分析结果显示，卵形拟杆菌菌株可以通过表达果胶聚糖的降解酶来释放纤维中的N-Me-5HT，而人类基因组中缺乏这种酶，这种酶起到了分子剪刀的作用，可以分解被“困”在橙子纤维中N-Me-5HT的复杂糖类结构。

研究人员还检测了133种可食用植物，包括玉米、小麦和大米等主要粮食作物，发现N-Me-5HT只存在于极少数纤维类型中，包括柑橘类水果和花椒属植物。

接下来，他们继续分析了N-Me-5HT的生物学效应。当他们给无菌小鼠喂食不含橙子纤维的高脂肪饮食后，补充N-Me-5HT可以减少脂肪储存，改善肝脏中的糖代谢，并产生了更快的肠道转运时间。

最后，该团队在人体试验中初步探索了上述研究的转化潜力。

在一个小型临床试验中，研究人员证实，摄入含有橙子纤维零食的参与者粪便样本中N-Me-5HT的含量增加。这种影响是纤维特异性的。当摄入含有豌豆纤维的零食时，不会发生这种影响。因此，他们得出结论：橙子纤维零食以剂量依赖的方式，特异性地增加粪便N-Me-5HT的含量，并且该含量与肠道菌群消化果胶聚糖酶的基因水平相关。

该研究合著者、病理学与免疫学副教授Michael Barratt博士说：“5-羟色胺参与了身体的许多过程，从情绪到食欲再到肠道健康，我们看到了给小鼠补充N-甲基-5-羟色胺带来的有益影响。现在，我们开始破译N-甲基-5-羟色胺与5-羟色胺相似性和差异性。”

总之，这项新研究提出了许多潜在方法，包括添加特定膳食纤维的饮食策略。

Barratt说：“在理想情况下，我们希望可以根据对个体肠道菌群的了解来推荐膳食纤维，特别是那些具有挖掘某些纤维代谢能力的肠道细菌。”

该研究通讯作者、爱迪生家庭基因组科学与系统生物学中心主任Jeffrey Gordon教授补充道：“不同纤维具有独特且丰富的生物分子库，并且每种肠道细菌都有不同的能力从各种纤维中挖掘出营养物质，包括已知的生物大分子和那些尚未被发现的生物分子。这里的隐藏着无可限量的空间。我们的研究揭示了个性化营养的巨大潜力。"

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.06.004