揭示肠道菌群能够将外源性碳纳米材料发酵成短链脂肪酸

  在一项新的研究中，中国科学院国家纳米科学中心陈春英(Chen Chunying)教授领导的一个研究团队发现肠道菌群能够将外源性碳纳米材料(carbon nanomaterial)作为碳源发酵成短链脂肪酸。相关研究结果于2023年5月8日在线发表在PNAS期刊上，论文标题为“A new capacity of gut microbiota: Fermentation of engineered inorganic carbon nanomaterials into endogenous organic metabolites”。

  肠道菌群是外源性纳米材料通过口腔途径的主要作用目标。肠道菌群调控的生物过程决定了外源性纳米材料在宿主体内的最终命运。然而，外源性碳纳米材料和肠道中的众多成分，如食物、碳水化合物、蛋白和脂质，以及生命的基本构成单位---“细胞”，都含有相同的组成元素---碳。使用传统方法实现对肠道内的碳纳米材料代谢过程的精确分析是非常具有挑战性的。

  为了解决这个问题，陈春英教授课题组通过应用稳定同位素13C标记技术、同位素代谢流追踪技术、高分辨率质谱技术和微生物群基因测序技术，揭示了碳纳米材料在肠道微生物群中的“过去和现在”。

  在这项新的研究中，这些作者首先发现肠道菌群可以分解两种类型的碳纳米材料：单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotube)和石墨烯氧化物(graphene oxide)。通过筛选肠道代谢物，他们证实短链脂肪酸在经口服碳纳米材料处理的小鼠肠道中明显增加。

  利用稳定同位素13C标记的氧化石墨(graphite oxide)和代谢流追踪技术，他们发现碳纳米材料就像膳食纤维一样，可以被肠道菌群作为可用的碳源进行降解和发酵，进入丙酮酸代谢途径生成丁酸。在这个过程中，多种微生物酶，包括己糖酶、丙酮酸激酶、丙酮酸脱氢酶和丁酸激酶，都参与了碳纳米材料发酵成丁酸的过程。

  微生物基因测序显示产生丁酸的细菌是利用碳纳米材料产生丁酸的主要物种。重要的是，过量的丁酸会影响肠道稳态。

  这项研究首次阐明了碳纳米材料从源头到终端的整个代谢过程，打破了微生物只能利用碳水化合物来合成有机丁酸分子的传统观念。该研究证实了肠道微生物可以利用人工合成的碳纳米材料作为碳源生成内源性有机代谢物，揭示了碳纳米材料在宿主体内新的生物命运，为拓展碳纳米材料的应用场景提供了重要的理论支持。

  参考资料：

  1. Xuejing Cui et al. A new capacity of gut microbiota: Fermentation of engineered inorganic carbon nanomaterials into endogenous organic metabolites. PNAS, 2023, doi:10.1073/pnas.2218739120.

  2. Study reveals gut microbiota can ferment carbon nanomaterials into organic metabolites

  https://phys.org/news/2023-05-reveals-gut-microbiota-ferment-carbon.html