基于人工智能和肠道微生物靶向作用的益生乳酸菌精准筛选及产业化关键技术

一、成果背景和意义

近年来，我国益生菌产业呈快速发展态势，年均增速超过20%，市场规模达1000亿元。但由于我国乳酸菌资源缺乏有效的收集保护、筛选和加工技术落后，所采用的菌种、制剂几乎完全依赖进口，严重制约产业的健康发展。

针对上述问题，“基于人工智能和肠道微生物靶向作用的益生乳酸菌精准筛选及产业化关键技术”项目从“益生菌-肠道菌群-健康”作用机制出发，明确了我国不同于西方人群的肠道微生物结构，结合基因组大数据和人工智能技术，研创了基于人工智能和肠道菌群作用的益生乳酸菌精准筛选技术和功能评价体系，筛选出L. casei Zhang、B. lactis V9、B. lactis Probio-M8、L. plantarum P-8和L. rhamnosus Probio-M9等28株具有显著的免疫调节、肠道菌群调节、降血脂、降血压功能益生乳酸菌。为突破高密度发酵技术瓶颈，采用基因组和蛋白质组学技术，解析了L. casei Zhang等28株益生乳酸菌的营养需求机制，针对菌株营养缺陷和调控需求，解决了高密度发酵的技术难题。从转录组水平发现细胞膜氧化损伤导致益生乳酸菌冷冻干燥过程中菌体衰亡的机理，发明了微包膜高效保护的益生乳酸菌冷冻干燥技术，突破了菌体存活率低的技术瓶颈。该项目提升了益生菌产业的竞争力，助力益生菌产业健康可持续发展。

二、成果创新性与引领性

利用基因组大数据和人工智能的理论和方法，挖掘乳酸菌不同益生特性的功能基因，构建乳酸菌益生特性基因数据库，并以基因组中K-mer寡核苷酸序列为特征，经过特征选择算法F-score和增量特征选择技术筛选获得184个核心特征；从肠道微生物互作入手，以调节肠道菌群稳态、增加微生物多样性和改善肠粘膜屏障功能等为技术指标，创新地建立了益生乳酸菌精准筛选预测模型，筛选出L. casei Zhang、B. lactis V9、B. lactis Probio- M8、L. plantarum P-8和L. rhamnosus Probio-M9等28株具有显著的免疫调节、肠道菌群调节、降血脂和降血压等功能益生乳酸菌，并从动物模型、人群试验和临床研究进行了益生特性的功能评价。   

图1  基于人工智能和肠道微生物靶向作用的益生乳酸菌精准筛选技术

该成果首次建立了L. casei不同生长时期的蛋白质表达谱，完成了L. casei Zhang不同发酵条件和发酵阶段关键基因的表达分析，发现菌株生长特性与葡萄糖转运、糖酵解和分子伴侣蛋白等13个功能基因的表达相关，明确了这些基因在菌株生长中的重要作用。完成了L. casei Zhang、B. lactis V9等乳酸菌的基因组学研究，阐明了菌株遗传背景，构建了菌株差异化的代谢通路，结合代谢调控手段，发明了不同菌株精准营养的高密度发酵技术，液体培养活菌数提高至3.0×10¹⁰ CFU/mL，突破了高密度发酵的技术瓶颈，菌体生物量提高了1个数量级。

图2  精准营养的益生乳酸菌高密度培养技术

该成果基于单细胞层面探索了高密度发酵和冷冻干燥过程中菌体受损和衰亡的机理，发现了还原型辅酶Ⅰ氧化酶和氧损伤修复蛋白编码基因显著高表达的规律，明确了细胞膜氧化损伤是益生乳酸菌高密度发酵、冷冻干燥和储存过程中菌株衰亡的主要原因。通过添加谷胱甘肽和蛋白水解抗氧化肽，并进行菌体微包膜隔氧干燥处理，维持细胞不饱和脂肪酸比例，减轻自由基对细胞组分的破坏，保护菌体细胞膜完整性，研创了微包膜高效保护的乳酸菌冷冻干燥技术，使活菌得率提高至90%以上，生产出活菌数达1.5×10¹²CFU/g以上。

项目在Brief Bioinform、NPJ Parkinsons Dis和Gut Microbes等杂志发表学术论文20篇，6株原创性菌株在内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司、江中药业股份有限公司和完美（广东）日用品有限公司等企业完成了科技成果转化，形成现实生产力，取得了显著的经济和社会效益，打破了国外技术和产品垄断的现状。

三、成果应用后可解决的主要问题

该成果建立的基于人工智能和肠道微生物靶向作用的益生乳酸菌精准筛选技术，是从基因组大数据水平识别了益生特性相关的分子标记，并以肠道微生物靶向作用为主要指标完成菌株的高通量精准筛选，技术的应用和推广将极大地提升益生菌菌株筛选的效率，促进具有自主知识产权益生菌菌株的精准挖掘，打破了国外技术和产品垄断，助推我国益生菌产业高质量发展。

该成果建立的精准营养的益生乳酸菌高密度发酵技术，是从菌株特异性的营养需求和代谢特征入手，围绕精准营养和代谢调控，研创了不同菌株精准营养的高密度发酵技术。该技术的推广使用，可显著提升液体培养乳酸菌活菌数，活菌数提高至3.0×10¹⁰ CFU/mL，菌体生物量提高了1个数量级，突破了高密度发酵的技术瓶颈。

该成果建立的微包膜保护益生乳酸菌冷冻干燥技术，是基于单细胞层面探索了高密度发酵和冷冻干燥过程中菌体受损和衰亡的机理，明确了细胞膜氧化损伤是益生乳酸菌高密度发酵、冷冻干燥和储存过程中菌株衰亡的内在机制再次基础上通过添加谷胱甘肽和蛋白水解抗氧化肽，并进行菌体微包膜隔氧干燥处理，研创的微包膜高效保护的乳酸菌冷冻干燥技术。该技术的应用和推广，使活菌得率提高至90%以上，活菌数达1.5×10¹²CFU/g以上，解决了冷冻干燥菌体存活率低的技术难题。

四、成果应用情况

该成果研创了基于人工智能和肠道微生物靶向作用的益生乳酸菌精准筛选及产业化关键技术，筛选得到28株原创性的益生菌菌株，研创了精准营养的益生乳酸菌高密度发酵技术和微包膜保护益生乳酸菌冷冻干燥技术，打破了国外技术和产品垄断。6株益生菌菌株和专利技术在内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司、江中药业股份有限公司和完美（广东）日用品有限公司等企业完成了科技成果转化，成为现实生产力，大幅提升企业核心竞争力。同时市场反馈良好，销售额逐年攀升，业绩斐然。

供稿人 | 张和平 陈永福 孙志宏 张文羿 刘文俊