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肠道细菌如何告诉主人该吃什么

来源:环球科学
作者:Knvul Sheikh
 
彩色电子扫描显微镜下的乳酸杆菌。图片来源:Steven Gschmeissner Getty Images

数十年来,科学家们已经知道我们吃的东西可以影响消化道中的微生物平衡。午饭选择吃火腿三明治或是酸奶冻糕会增加某些种类细菌的数量并同时抑制其他细菌。随着相对数量的变化,它们会产生不同的分泌物,激活不同的基因,吸收不同的营养。

这些对食物的选择很可能是双向的。已经证明肠道微生物会影响人们的饮食和行为,以及焦虑、抑郁、高血压等各种其他疾病。但这些数以万亿计的小小客人——统称为微生物群落——究竟是如何影响我们选择食物呢,这一直是个谜。

目前神经学家已经发现,特定类型的肠道菌群会帮助宿主检测食物中缺少哪些营养,然后精确测定养分的缺少量。“细菌对食欲的影响有点像是在不再加油的情况下优化,使汽车行驶的路程最远。”资深作家卡洛斯·里贝罗(Carlos Ribeiro)说,他在里斯本不为人知的尚帕利莫中心(Champalimaud Center)研究黑腹果蝇的饮食行为。

在最近发表于《公共科学图书馆•生物学》(PLOS Biology)杂志的一篇论文中,Ribeiro和他的团队展示了微生物群落是如何影响果蝇的营养决定的。首先,他们给一组果蝇喂食包含所有必需氨基酸的蔗糖溶液;另一组的溶液中包含一些合成蛋白质所需的氨基酸,但缺少宿主本身无法合成的必需氨基酸;科学家们将第三组果蝇食物中的必需氨基酸一个一个移除,以检测微生物群能察觉哪种缺失的氨基酸。

经过72小时的差异化饮食后,三组果蝇都得到了一次包含日常蔗糖溶液以及富含蛋白质的酵母的自助餐。研究人员发现,食物中缺失任一种必需氨基酸的两组果蝇,都对酵母产生了强烈的渴望。但当科学家们增加在果蝇消化道发现的五种细菌(乳酸菌,短乳酸杆菌,醋酸杆菌,混合杆菌和粪肠球菌)时,果蝇则对蛋白质完全失去了兴趣。

研究人员发现果蝇的氨基酸水平仍然很低,表明这些细菌是简单地通过亲自生产氨基酸来替代果蝇食物中缺失的营养物质。相反,这些微生物是作为小的代谢工厂将它们所获得的食物转化为新的化学物质;研究人员认为这些代谢产物可能会欺骗宿主让其在缺失氨基酸的情况下继续进行生命活动。Ribeiro解释说,由于微生物的小把戏,果蝇依旧能够继续繁殖,尽管缺乏氨基酸会阻碍细胞生长、再生以及繁殖。

醋酸杆菌和乳酸菌这两种细菌能显著影响果蝇的食欲。两者同时增多足以抑制果蝇对蛋白质的渴望,增加对糖类的摄入。这两种细菌同时也修复了果蝇的生殖能力,表明身体各项功能正常,而这些功能通常在营养缺乏时会被限制。“大脑如何权衡营养信息是非常令人着迷的,我们的研究表明,微生物群落在指导动物如何行动方面起着关键作用,” Ribeiro说。

接下来研究小组移除了果蝇体内一种催化合成酪氨酸的酶,使果蝇不得不通过食物来获得酪氨酸,就像获取其他必需氨基酸一样。令人惊讶的是,他们发现醋酸菌和乳酸菌无法抑制被改造后的果蝇对酪氨酸的渴望。Ribeiro解释说:“这表明肠道菌群已经进化到只对正常的必需氨基酸摄入进行测定。”

这项研究为微生物及其宿主的共同进化提供了新的视角。“研究结果表明,在动物和肠道内常驻菌之间有一种独特的协同进化途径,而且是一种自上到下的饮食交流方式,”安大略省麦克马斯特大学(McMaster University in Ontario)的神经学家Jane Foster说,他并没有参与这项研究。

尽管这项研究没有具体说明这种交流的精确机制,但Ribeiro认为它可以有多种形式。来自这项研究的有力证据表明,微生物分泌的代谢物会将信息从肠道传递到大脑,并且告诉宿主它是否需要某种特定的食物。“一个巨大的进化之谜就是为什么我们失去了产生必需氨基酸的能力,”他说,“也许这些代谢物给了动物更多余地,以独立于这些营养物质、即使缺少它们时也可以生存。”

他补充说,微生物与大脑交流可能是出于自身进化原因的需要。一方面,它们以宿主吃的东西为食。另一方面,他们需要宿主是群居的,这样微生物来客才能在种群中传播。到目前为止,这些数据仅限于动物模型,但Ribeiro认为,肠道和大脑的交流为未来人类的治疗提供了沃土。“这是一个有趣的治疗窗口,未来可以用来改善饮食行为。”他说。

 

翻译:郝豪

审校:杨青,张宇哲

原文链接:https://www.scientificamerican.com/article/how-gut-bacteria-tell-their-hosts-what-to-eat/

本文来自:环球科学
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