雖說Noster公司在微生物方面有多年的經(jīng)驗，但Kitao初次接觸腸道細菌代謝物是在2010年的橫濱BioJapan大會上——參與了京都大學(xué)Jun Ogawa教授的演講?！癘gawa教授講述了微生物代謝的功能?！?Kitao回憶道。

后來，Kitao決定與Ogawa共同合作研究微生物對人類健康的益處，腸道細菌代謝物是他們研究的課題之一。Kitao說：“我當(dāng)時對一種名為HYA的特殊脂肪酸很感興趣，這種脂肪酸是在研究腸道細菌的亞油酸-油酸代謝途徑時發(fā)現(xiàn)的?！?/span>

早在1998年美國石油化學(xué)家協(xié)會會議上，Ogawa就接觸到了腸道微生物代謝物。Ogawa說：“會上有人講到了一種名為共軛亞油酸（CLA）的功能性脂肪酸。演講者說，食物中豐富的亞油酸可轉(zhuǎn)換為CLA，這種物質(zhì)可能對人類健康有益?！蹦c道微生物在亞油酸轉(zhuǎn)化為CLA的過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，這使得Ogawa開始在實驗室探索用微生物生產(chǎn)CLA的方法?！斑@項工作為如今的后生元奠定了基礎(chǔ)?！?Ogawa說。在接下來的幾年里，Ogawa為脂質(zhì)類后生元研究做出了一系列貢獻。

Ogawa最初研究的課題是“乳酸菌如何將亞油酸代謝為CLA”。為了找到答案，他請實驗室里的一名學(xué)生進行實驗。這名學(xué)生此前致力于用發(fā)酵法生產(chǎn)花生四烯酸（一種具有生物活性的多不飽和脂肪酸）。

首先，Ogawa讓該學(xué)生利用類似的方法生產(chǎn)亞油酸衍生的脂質(zhì)代謝物。學(xué)生成功地觀察到乳酸菌可以生產(chǎn)CLA，但故事還沒結(jié)束。當(dāng)他們用與分析花生四烯酸相同的方法分析亞油酸衍生物時，得到了一個令人出乎意料的結(jié)果。

“這個方法非常耗時，”O(jiān)gawa說，“通常我們會在觀察到CLA信號峰之后的5分鐘左右停止分析。不過，我的學(xué)生很有耐心，他以前需要花很長時間等待花生四烯酸的產(chǎn)生。因此，他習(xí)慣性地多等了30分鐘，就像在分析花生四烯酸一樣，然后他驚訝地觀察到了新的峰值?！?/span>

后續(xù)研究表明，這個新峰值指示了一種新的代謝物——HYA。Ogawa發(fā)表了研究結(jié)果^1-4，并重新調(diào)整了研究目標(biāo)，將重點放在HYA及其在腸道微生物亞油酸代謝中的作用，后續(xù)還探索了HYA對生理功能的影響^5-7。

“為了闡明HYA及相關(guān)代謝物的代謝途徑，我們需要與營養(yǎng)、制藥和醫(yī)學(xué)方面的專家合作，” Ogawa說，“這項研究的幕后驅(qū)動者是Kohei Kitao，他注意到了HYA在醫(yī)療保健方面的潛力，并著手建立研究網(wǎng)絡(luò)，以促進HYA的跨學(xué)科研究。日本理化研究所（RIKEN）、慶應(yīng)義塾大學(xué)（Keio University）的Makoto Arita也參與了這項研究，他在質(zhì)譜方面的專業(yè)知識對解析代謝物至關(guān)重要?！?/span>

研究團隊從多個方面揭示了HYA對健康的潛在益處，包括保護腸道屏障⁵、預(yù)防肥胖和糖尿病⁶、改善炎癥以及調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)⁷。這些發(fā)現(xiàn)鞏固了HYA作為“后生元”的地位，但關(guān)于其作用機制還存在一些問題。

Ogawa正在研究能否利用HYA等后生元實現(xiàn)一箭雙雕，即在控制疾病的同時改變腸道菌群的組成。這一想法基于Ogawa的法國同事Maarten van de Guchte提出的一個觀點：改變微生物-宿主平衡有望將二者的關(guān)系推向有助于健康的“另一種平衡”⁸。也就是說，后生元也許可以通過“馴化”腸道微生物進一步維持宿主健康。

“在對腸道微生物組中的特定代謝物進行研究時，或許可以順藤摸瓜，尋找新的治療靶點。對這些靶點進行干預(yù)或可幫助我們促進腸道健康、預(yù)防慢性疾病，” Ogawa說，“這是一個令人著迷的研究領(lǐng)域，可以擴展我們對HYA及其他腸道微生物代謝物的理解。”

探索龐大的脂質(zhì)代謝物世界并非易事。慶應(yīng)義塾大學(xué)人類生物學(xué)微生物組量子研究中心（Human Biology Microbiome Quantum Research Center）核心主任、醫(yī)藥學(xué)教授、理研綜合醫(yī)學(xué)中心（RIKEN Center for Integrative Medical Sciences）組長Makoto Arita正在開發(fā)先進的脂質(zhì)組學(xué)分析方法。他已經(jīng)與Kitao和Ogawa合作多年，幫助他們分析腸道微生物產(chǎn)生的HYA和其他代謝物。

“我的目標(biāo)是闡明與炎癥和組織穩(wěn)態(tài)相關(guān)的脂質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能，” Arita說，“我們正在使用液相色譜質(zhì)譜（LC-MS）分析腸道微生物產(chǎn)生的功能性代謝物?！?/span>

隨著研究人員對后生元的不斷挖掘，創(chuàng)建統(tǒng)一的實驗標(biāo)準(zhǔn)有助于推動領(lǐng)域發(fā)展，使全球科學(xué)家有機會共同探索這些新的分子。利用Ogawa和Noster公司提供的樣品，Arita及其同事對45種高純度“標(biāo)準(zhǔn)”脂肪酸進行了分析，這些脂肪酸是腸道微生物在代謝食物脂肪酸的過程中產(chǎn)生的。這些標(biāo)準(zhǔn)品對于鑒定未知樣品中的代謝物非常重要^9-11。將Noster公司的高純度標(biāo)準(zhǔn)品與Arita的LC-MS/MS分析結(jié)合，有助于對具有相似結(jié)構(gòu)的分子進行注釋。借助合作的優(yōu)勢，Kitao在2022年啟動了Noster公司的代謝組和腸道微生物組分析服務(wù)。

過去三年，Arita及其同事在脂質(zhì)組技術(shù)方面取得了巨大的進步^9-11。他們將非靶向質(zhì)譜與基于特征的分子光譜網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，對腸道微生物組的脂質(zhì)代謝物進行結(jié)構(gòu)分析，以預(yù)測哪些細菌最有可能產(chǎn)生特定的脂質(zhì)。

此外，Arita還強調(diào)了代謝組學(xué)軟件的重要性。他在RIKEN的團隊開發(fā)了MS-DIAL軟件¹²?！皩τ谛枰煽壳腋咝У能浖硖幚砗头治龃x組數(shù)據(jù)的研究人員來說，MS-DIAL是一款寶貴的工具?！?Arita說。

最新的MS-DIAL工具包兼容MALDI（基質(zhì)輔助激光解吸/電離）和IM-MS（離子遷移譜-質(zhì)譜），能夠以高靈敏度和高分辨率分析復(fù)雜的生物樣本?！拔覀兛梢蕴崛∩飿颖局刑囟ǚ肿拥目臻g位置數(shù)據(jù)，” Arita說，“這為制作多維脂質(zhì)組圖譜提供了大量信息?！?/span>

空間圖譜是利用MALDI成像實現(xiàn)的。在MALDI成像過程中，激光束會掃描樣本表面，產(chǎn)生的離子會由質(zhì)譜儀分析，并生成樣本內(nèi)分子分布圖譜。研究人員可以借助該圖譜圈定感興趣的樣本區(qū)域，研究不同分子之間的空間關(guān)系。

技術(shù)革新只是一個開始，Arita希望能夠繼續(xù)與Noster公司和Ogawa的合作，探索后生元結(jié)構(gòu)和功能的奧秘?！拔磥磉€有更多值得期待的研究?！?/span>

原文鏈接：

https://www.science.org/content/resource/hunt-gut-microbe-molecule

作者｜Science/AAAS Custom Publishing Office

編譯｜Lexi

審校｜617

編輯｜豫小魚