整合的代谢组学和转录组学分析揭示了长双歧杆菌婴儿亚种（Bifidobacterium longum subsp. infantis）高效利用2'-岩藻糖的分子机制

《Food Bioscience》：Integrated metabolomic and transcriptomic analysis reveals the molecular mechanism underlying efficient 2'-fucosyllactose utilization by Bifidobacterium longum subsp. infantis

　　

赵佳艺|杜欣宇|周涛|张秀秀|李晓东|刘璐

东北农业大学食品学院，中国哈尔滨香坊区长江街600号，邮编150030

摘要

本研究系统评估了四种源自婴儿肠道的双歧杆菌对2'-岩藻糖（2'-FL）的体外利用情况，并阐明了优势菌株的代谢机制。以2'-FL作为唯一碳源时，婴儿长双歧杆菌（Bifidobacterium longum subsp. infantis）表现出最佳的代谢活性，其代谢产物（乙酸、丙酮酸）的产量显著增加，关键酶（乙酰辅酶A激酶、β-半乳糖苷酶）的活性也得到增强。多组学分析显示，该菌株通过上调ABC转运蛋白和与碳水化合物代谢相关的基因实现了高效的转运和分解：ABC转运蛋白增强了跨膜摄取能力，α-岩藻糖苷酶将2'-FL分解为L-岩藻糖和乳糖，而果糖-6-磷酸磷酸酮醇酶和乳酸脱氢酶等关键酶基因的表达上调，使碳流导向丙酮酸代谢途径并促进短链脂肪酸的产生。与葡萄糖相比，该菌株在糖酵解和双歧杆菌代谢途径上表现出协同增强作用，并伴随着中心碳代谢的重编程，形成了高效的代谢机制。本研究为开发婴儿营养产品提供了理论基础。

引言

母乳喂养被全球公认为婴儿营养的金标准，它不仅提供了生长发育所需的基本营养素，还富含多种生物活性成分。人乳寡糖（HMOs）是母乳中继乳糖和脂质之后第三大固体成分，目前已鉴定出约200种不同的结构形式（Zhang等人，2023年）。其中，2'-岩藻糖（2'-FL）占总HMOs的约30%。它是母乳中最丰富的寡糖单体（Chen等人，2021年），也是驱动婴儿肠道微生物群特异性定植的关键成分之一（Pi等人，2022年）。2'-FL作为特定肠道微生物的代谢底物，选择性地促进益生菌——尤其是双歧杆菌的生长和黏附-定植能力（Zhang等人，2020年）。体外研究表明，2'-FL可以作为唯一碳源支持双歧杆菌的增殖（Shi等人，2020年），而大多数机会性病原体缺乏相应的酶系统来代谢它，从而表现出优异的微生物选择性（Salli等人，2021年）。临床研究进一步证明，2'-FL能被母乳喂养的婴儿良好耐受，其补充可以改善肠道微生物群的多样性（Lazarini等人，2025年）。随着合成生物学和食品工业的技术进步，2'-FL逐渐被添加到婴儿配方奶粉中，以模拟母乳的微生物组调节作用（Lazarini等人，2025年；Ramirez-Farias等人，2024年）。

尽管2'-FL不能被婴儿直接消化，但它可以被特定的有益肠道细菌代谢。多项研究表明，不同种类的益生菌，甚至同一物种内的不同菌株，在利用2'-FL的能力上存在显著差异。不同双歧杆菌物种对2'-FL的代谢策略各不相同，有些菌株依赖ABC转运蛋白介导的摄取后进行细胞内降解（Matsuki等人，2016年；Sakanaka等人，2020年）。由此产生的单糖或二糖可能进一步促进微生物群落间的“交叉喂养”效应，增强微生物群落的稳定性和代谢多样性（Katoh等人，2020年）。此外，作为早期定植于婴儿肠道的优势菌属，双歧杆菌在维持肠道微生态平衡、促进肠道屏障成熟、调节免疫系统发育和增强营养代谢方面发挥着关键作用（Capeding等人，2023年；Lin等人，2022年；Zhang等人，2020年）。因此，选择具有特定2'-FL代谢途径的益生菌，与母乳中最丰富的这种寡糖形成精准的合生制剂，是一种有前景的策略。2'-FL作为这些菌株在复杂肠道生态系统中的专属碳源，显著增强了它们的定植竞争力和生存持久性，从而克服了传统益生菌存活率低的瓶颈。它们之间的协同作用高度模拟了母乳喂养的微生态模式。通过菌株增殖及其代谢产物，它们共同加强了肠道屏障，调节免疫平衡，并竞争性地抑制病原体。

阐明肠道益生菌对2'-FL的代谢途径和调控机制，是扩展其在营养和健康领域应用的重要前提。为此，本研究从四种源自婴儿肠道的双歧杆菌菌株中筛选出一种高2'-FL利用效率的益生菌菌株。通过整合代谢组学和转录组学，我们比较了该菌株在以葡萄糖和2'-FL作为唯一碳源时代谢产物的积累和基因表达的差异，从而在分子水平上阐明了双歧杆菌高效利用2'-FL的潜在机制。本研究为开发具有微生物群调节功能的新一代先进营养解决方案奠定了理论和技术基础。

章节片段

主要材料和菌株

本实验中使用的短双歧杆菌（Bifidobacterium breve CICC6182）、双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum ATCC29521）、长双歧杆菌（Bifidobacterium longum CICC6212）和婴儿长双歧杆菌（Bifidobacterium longum subsp. infantis DSM20090）（B. infantis）购自北京贝纳生物技术有限公司。葡萄糖（Glu，≥98%）；寡半乳糖（GOS，≥98%）；寡果糖（FOS，≥90%）；2'-FL（≥90%）购自上海麦克林生物技术有限公司。

菌株的活化、传代和保存

保存在甘油管中的双歧杆菌解冻后，以3%的接种量进行传代培养

图1A显示了短双歧杆菌（B₁）、双歧杆菌（B₂）、长双歧杆菌（B₃）和婴儿长双歧杆菌（B₄）的OD₆₀₀随时间的变化情况。这四种双歧杆菌在葡萄糖培养基中生长最快，均在2小时进入对数期，10小时达到稳定期，并在24小时时保持约1.6的OD₆₀₀。这表明所有测试菌株都能有效利用葡萄糖，使其适合作为后续实验的对照组。

讨论

作为婴儿肠道中的关键益生菌，双歧杆菌与2'-FL（母乳中最丰富的功能性益生元）形成了高效的益生菌-益生元协同系统，共同奠定了婴儿肠道健康和免疫稳态的微生物基础（Zhang等人，2020年）。筛选能够高效利用2'-FL的双歧杆菌特定菌株，并阐明其代谢机制，具有重要意义

结论

通过对短双歧杆菌、双歧杆菌、长双歧杆菌（Bifidobacterium longum）和婴儿长双歧杆菌（Bifidobacterium longum subsp. infantis的筛选，本研究确定B. infantis是一种高效利用2'-FL的特定菌株。体外实验、代谢组学和转录组学的结果一致表明，2'-FL不仅是一种高效利用的碳源，还能促进相关基因的表达上调并激活

赵佳艺：撰写——初稿、可视化、软件处理、实验设计。杜欣宇：软件操作。周涛：方法学设计。张秀秀：实验监督。李晓东：项目管理和实验实施。刘璐：撰写——审稿与编辑、资金申请

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

国家重点研发计划青年科学家项目（2025YFF1108100）的财政支持。