英文原题：When Cellulosomes Meet Humans
作者：Yingang Feng*, Carl J. Yeoman*
01 论文信息
论文信息
Y. Feng, C.J. Yeoman. When Cellulosomes Meet Humans[J]. Green Carbon 2024 2(3) 337-338.
论文网址
https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.06.001
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Green Carbon文章│青岛能源所冯银刚研究员、美国蒙大拿州立大学Yeoman教授：人类肠道中广泛存在产纤维小体细菌
02 背景简介
纤维小体是一类由厌氧微生物分泌的高效降解木质纤维素的分子机器，在自然界的生物质降解中发挥重要作用。纤维小体通过酶之间的协同作用，其降解纤维素的效率远高于来自真菌的游离酶系，在生物质利用和生物质能源生产中具有巨大的应用价值。畜牧业食草动物瘤胃中的产纤维小体细菌和动物的饲喂效率与甲烷温室气体排放密切相关。因此，纤维小体是一种和自然界中的碳元素循环、人类的食品安全、以及全球的碳中和目标密切相关的蛋白质复合体。通常认为人的肠道不能分解纤维素，产纤维小体细菌在人类肠道中的存在与分布尚缺乏系统的研究。
最近来自以色列本古里安大学Itzhak Mizrahi教授和Green Carbon 副主编Edward A. Bayer教授等人在Science发表题为“Cryptic diversity of cellulose-degrading gut bacteria in industrialized humans”的研究论文，通过国际合作系统分析了人和灵长类动物肠道中产纤维小体细菌的情况，揭示了产纤维小体细菌在全球不同地域和不同历史环境下的惊人的广泛存在以及它们与饮食习惯之间的关联。
来自中国科学院青岛生物能源与过程研究所的冯银刚研究员与美国蒙大拿州立大学的Carl J. Yeoman教授进一步在Green Carbon发表标题为“When cellulosomes meet humans”的文章，对这篇文章进行了评述，并进一步指出纤维小体研究对全球环境、社会和经济的绿色、可持续发展，以及人类的健康生活具有重要作用。
03 文章简介
对高效降解木质纤维素的生物体系进行研究，对于生产绿色和低碳生物燃料具有重要的意义。纤维小体作为自然界中最高效的木质纤维素降解体系之一，在生物质能源和生物技术开发中得到了广泛的研究和应用。目前所发现的产纤维小体微生物大多属于梭菌纲的细菌和部分真菌，主要来自于土壤环境和反刍动物的消化道。在Itzhak Mizrahi教授的Science论文（DOI: 10.1126/science.adj9223）发表之前，在人的肠道中鉴定到的产纤维小体细菌仅报道过一种，属于瘤胃球菌属（Ruminococcus），并且在人群中的分布并不是十分广泛，因而人肠道中的产纤维小体细菌并未得到研究者的充分重视。
在这篇Science论文（DOI: 10.1126/science.adj9223）中， Moraïs等通过分析九万多个来自人的宏基因组组装基因组（MAG）中是否存在瘤胃球菌纤维小体中的一个关键脚架蛋白ScaC，发现三个属于瘤胃球菌属的产纤维小体细菌新物种。他们进一步分析这些产纤维小体瘤胃球菌在1989个人类和动物肠道来源样本中的流行和丰度，发现它们的丰度与膳食纤维的摄入程度密切相关，在农业社会和古代人类样本中的丰度显著高于工业化社会中人类样本中的丰度，产纤维小体瘤胃球菌早已能够进化并适应在人类肠道中进行定殖。由于膳食纤维的摄入与人的健康密切相关，因此作者提出通过针对性的饮食和专门的益生菌，有可能将这些产纤维小体瘤胃球菌重新引入或富集于人类肠道中。Moraïs等人的这个研究暗示了一个非常有趣的可能性，即产纤维小体瘤胃球菌不仅和畜牧生产率、碳中和、碳循环相关，还可能与人类健康存在关联。人类肠道中的纤维素降解菌的重要性在过去的研究中可能由于缺乏已鉴定的相关菌株而被忽略了。
Moraïs等人研究获得的新的产纤维小体瘤胃球菌菌株MAG信息为后续菌株分离、生理生化、菌株互作及对宿主健康的影响研究提供了至关重要的基础。Moraïs等人的研究发现，这些产纤维小体瘤胃球菌的纤维小体的酶组分与宿主的饮食习惯存在一定的关联，表明这些物种已经经过了针对宿主的饮食的适应性进化，这些细菌是如何适应并定殖于人类肠道的有待进一步研究。
已有的研究表明，反刍动物的产纤维小体细菌可能和宿主的甲烷排放相关。甲烷气体的温室效应是二氧化碳气体的28倍，而人类活动可能会打破自然界中甲烷在土壤和空气中的平衡，从而导致严重的全球环境问题。反刍动物中的产纤维小体瘤胃球菌能和其他细菌一起协同的降解饲料中的木质纤维素成分，并进一步发酵成为短链脂肪酸，为宿主提供重要的营养成分，从而影响饲喂效率和温室气体甲烷的排放，因此对产纤维小体瘤胃球菌的研究对于提升家畜动物的饲喂效率和减少甲烷排放具有重要的价值。
Moraïs等人的研究则揭示了在人类肠道中存在产纤维小体细菌的定殖，这带来了一种新的可能性，即这些纤维素降解细菌可能也与人肠道中产甲烷菌的存在与丰度相关。由于对人类甲烷排放测定的实际困难，关于人类自身甲烷排放的研究很少。最近的一项研究认为，人呼吸排出的甲烷气体仍然有相当大的量，而预测从肠道排出的甲烷气体将远多于呼出气体中的量，这暗示人类自身的甲烷排放量可能对全球的温室效应也有显著的贡献。因此，对于人类肠道中产纤维小体细菌与产甲烷菌之间的互作关系及其对产甲烷影响的进一步研究，不仅仅对于人类健康具有重要价值，还可能对于全球温室效应的研究具有重要贡献。
总结及展望
产纤维小体细菌的研究与碳元素循环、食品安全、以及全球碳中和目标的实现密切相关。Moraïs等人的工作表明，纤维小体存在于包括人类在内的更广泛的生物的消化道中，可能与人类的健康存在关联，因此有望引起更广泛科学研究者的兴趣。对这些消化道纤维素降解系统的研究将有助于实现更加绿色的全球环境、更加可持续的社会经济发展和更加健康的人类生活。
04 作者简介
冯银刚 研究员
冯银刚博士，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，代谢物组学研究组负责人，单细胞油脂山东省工程研究中心主任。主要从事能源与环境微生物的分子生理机制与合成生物学开发、工业酶催化机制与酶工程等研究。在SCI期刊发表一百余篇研究论文，近年来的成果以通讯作者发表于Science Advances, Nature Communications, Proceedings of the National Academy of Sciences，Angewandte Chemie International Edition等期刊，申请发明专利二十余件。任中国生物物理学会生物磁共振分会理事、秘书长，山东省物理学会生物物理专业委员会副主任委员，贵州医科大学客座教授，Bioresources and Bioprocessing编委成员，北京首钢朗泽科技股份有限公司独立董事。
Carl J. Yoeman 教授
Carl J. Yoeman博士，美国蒙大拿州立大学教授，动物与牧场科学系主任。主要从事宿主相关微生物生态系统在宿主动物健康、免疫发育和营养方面的生态学和进化等研究。在ISME J, mBio, Trends in Microbiology等期刊发表一百余篇论文，任Scientific Reports, Frontiers in Microbiology, Frontiers in Veterinary Science期刊编委。
05 Green Carbon
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