益生菌的“超级赛亚人”变身记——体内进化让降脂效果翻倍

益生菌功能提升面临两大挑战：一是体外适应性进化虽能施加选择压力，却无法模拟肠道内免疫、营养与宿主信号的复杂互作，导致筛选菌株回归宿主后难以复现功能优势；二是CRISPR基因编辑虽精准，但受限于多数益生菌遗传可操作性低及工程菌株的监管障碍。研究团队由此提出新假设：将宿主肠道作为“活体进化反应器”，利用肠道内源性选择压力驱动益生菌的功能优化。这一策略绕开了体外环境的局限和基因编辑的技术门槛，为益生菌的功能增强开辟了新的可能路径。

 体内进化实验设计：肠道作为“活体反应器”

研究团队首先从12株动物双歧杆菌乳亚种中筛选出胆汁酸代谢能力最强的菌株H22B656作为起始菌株。随后，他们将该菌株定植到无菌小鼠肠道中，并逐步增加饮食中的脂肪含量，从30%到45%再到60%，以逐步提升肠道胆汁酸压力。为了验证体内进化的必要性，研究者设置了对照实验：在体外将同一菌株在含0.3%结合胆汁酸的培养基中连续传代10次。结果，体外传代未能产生任何一株胆汁酸代谢能力提升的菌株。而在体内进化的7周过程中，从不同时间点分离的菌株中，25%的克隆出现了胆盐水解酶比活性的显著提升，其中最优变异株WSS9的比活性提升了77%。

图1 体外与体内诱导策略对提升胆汁酸代谢能力的比较效果研究

 遗传解析：锁定两个关键突变

研究者对变异株WSS9进行了全基因组重测序和转录组分析。通过与原始菌株比对，共鉴定出282个高置信度单核苷酸变异——其中244个位于编码区（205个非同义突变），38个位于非编码区。在这282个变异中，研究者锁定了两个与胆汁酸代谢直接相关的关键突变：

突变一（rs1846941）：位于胆盐水解酶基因cbh的上游非编码区。该突变增强了cbh在胆汁酸压力下的转录表达。通过构建携带该突变启动子的报告基因载体，研究者证实该突变使mCherry荧光强度在三种胆汁酸条件下分别提高1.30倍、1.71倍和12.36倍。

突变二（rs402499）：位于胆汁酸外排转运蛋白基因mdr的编码区，导致第192位氨基酸从天冬酰胺（Asn）变为天冬氨酸（Asp, N192D）。该突变既增强了mdr在胆汁酸压力下的表达，又通过改变蛋白构象提高了与底物的结合亲和力，且形成更多氢键。

图2 驱动适应菌株WSS9胆汁酸代谢增强的两个关键SNV的功能验证

功能验证：变异株在NAFLD模型中表现更优

研究者随后在高脂饮食诱导的非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）小鼠模型中，比较了变异株WSS9与原始菌株H22B656的干预效果。结果显示：WSS9对高脂饮食诱导的体重增加的抑制率达33.6%（原始菌株仅30.3%）。在血清指标方面，WSS9在升高高密度脂蛋白胆固醇、降低总胆固醇和降低丙二醛水平方面均显著优于原始菌株。肝组织HE染色和油红O染色显示，WSS9处理组的肝脏脂肪变性程度明显轻于原始菌株处理组，肝小叶结构基本保持正常。代谢组学分析进一步揭示，WSS9对初级胆汁酸生物合成通路的调节范围比原始菌株更广，除调节GCDCA、GCA、CDCA和CA外，WSS9还额外调节了TCDCA和TCA。KEGG通路富集分析也显示，WSS9处理组的差异代谢物在初级胆汁酸生物合成通路（K000120）中显著富集（p=0.0357），而原始菌株处理组则未达显著水平。肠道定向进化策略为益生菌的功能优化开辟了一条新路径，将肠道从“被动的定植场所”转变为“主动的进化工厂”，也为基于定向进化益生菌的代谢疾病干预提供了概念验证。未来，这套体内进化框架或可推广至更多功能性菌株的精准改造。

参考文献：Han Z, Sun Z, Liu X, et al. Harnessing a germ‑free mouse gut bioreactor for directed evolution of probiotics to combat non-alcoholic fatty liver disease. Nat Commun. 2026 Feb 24;17(1):3133. doi: 10.1038/s41467-026-69823-0.