腸道微生物是納米材料進(jìn)入腸道后的首要作用靶器官，作為人體最隱秘的“器官”，腸道微生物控制的生物代謝過程決定外源碳納米材料在宿主內(nèi)的最終命運(yùn)。
然而，碳納米材料和腸道內(nèi)的眾多組分，如食物、碳水化合物、蛋白和脂質(zhì)等分子，以及生命基本構(gòu)筑單元‘細(xì)胞’含有相同的組成元素—碳元素，傳統(tǒng)分析方法無法實(shí)現(xiàn)碳納米材料在腸道內(nèi)代謝轉(zhuǎn)化過程的精準(zhǔn)分析。
圖源：中關(guān)村在線
近日，國(guó)家納米科學(xué)中心陳春英課題組在腸道微生物發(fā)酵人工合成碳納米材料生成內(nèi)源有機(jī)代謝產(chǎn)物方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以A new capacity of gut microbiota: fermentation of engineered inorganic carbon nanomaterials into endogenous organic metabolites為題，發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2023, 120(20), e2218739120)。
針對(duì)碳材料體內(nèi)代謝行為研究的重大難題，研究團(tuán)隊(duì)建立了穩(wěn)定同位素13C骨架標(biāo)記與代謝流同位素示蹤的創(chuàng)新分析方法，明確解析碳納米材料在腸道微生物內(nèi)的“前世今生”。?
在本工作中，團(tuán)隊(duì)首先發(fā)現(xiàn)腸道微生物能夠降解兩種人工合成碳納米材料：單壁碳納米管和氧化石墨烯。通過篩查兩種碳納米材料口服暴露后宿主腸道的代謝產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)乙酸和丁酸等短鏈脂肪酸含量明顯升高。
進(jìn)一步建立氧化石墨烯同位素代謝流示蹤新方法，分析鑒定出13C-氧化石墨烯降解后通過13C-丙酮酸途徑生成13C-丁酸整個(gè)代謝鏈條的產(chǎn)物（13C-氧化石墨烯—13C-葡萄糖—13C-丙酮酸—13C-乙酸—13C-丁酸）；證實(shí)了碳納米材料類似于膳食纖維能夠作為碳源被腸道微生物所利用，進(jìn)行降解發(fā)酵，并進(jìn)入丙酮酸代謝途徑，最終生成丁酸的代謝機(jī)制。
其中，多種關(guān)鍵的微生物代謝酶，包括己糖激酶、丙酮酸激酶、丙酮酸脫氫酶和丁酸激酶等參與碳納米材料發(fā)酵生成丁酸的過程。微生物測(cè)序揭示產(chǎn)丁酸菌是利用碳納米材料生成丁酸的優(yōu)勢(shì)菌種。?
該工作發(fā)表后，被Nature期刊作為亮點(diǎn)進(jìn)行報(bào)道“Bacteria in the digestive tract can break down ingested carbon nanomaterials”。
該研究基于建立的創(chuàng)新分析方法，首次明確了碳納米材料從源端—中端—終端的代謝全流程，突破傳統(tǒng)微生物只能利用碳水化合物合成有機(jī)丁酸分子的認(rèn)知，證實(shí)了腸道微生物能夠利用人工合成碳納米材料作為碳源生成內(nèi)源有機(jī)代謝產(chǎn)物的新機(jī)制，從而揭示體內(nèi)碳納米材料新的生物學(xué)命運(yùn)，為拓展碳納米材料應(yīng)用場(chǎng)景提供了重要理論支撐。
圖.?腸道微生物對(duì)碳納米材料的厭氧發(fā)酵過程
國(guó)家納米科學(xué)中心崔雪晶副研究員為該論文的第一作者，國(guó)家納米科學(xué)中心陳春英研究員為通訊作者。該研究工作獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。
原文鏈接:?https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2218739120
Nature Highlight:https://www.nature.com/articles/d41586-023-01540-w
資料來源：國(guó)家納米科學(xué)中心
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