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[转载]从婴儿到老年：双歧杆菌不同物种如何成为你的终身肠道盟友？
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双歧杆菌是人类肠道微生物组的重要成员，在整个宿主生命周期中表现出优越的定植和糖苷利用能力。
从出生开始，双歧杆菌在母乳喂养婴儿的肠道中迅速建立优势地位，并随着宿主年龄的增长和饮食结构的变化，不断调整自身的代谢策略，始终保持在肠道微生物群落中的关键地位。这种随年龄和饮食变化而演变的适应性，使双歧杆菌成为连接人类早期生命到老年期肠道微生态平衡的关键菌群。
我们在之前的文章也详细阐述过双歧杆菌的基本特性、不同种类、代谢特点、在人体各年龄段的分布变化、健康益处以及对疾病的潜在治疗作用等，点此详见：肠道核心菌属——双歧杆菌，你最好拥有它
然而，这里还有一些重要的内容需要补充，关于双歧杆菌在肠道微生态系统中的一个关键功能——"交叉喂养"机制及其在微生物网络中的特殊生态位选择策略。
今天要给大家科普的是，双歧杆菌如何通过精妙的代谢网络与其他微生物建立互惠关系，以及这种关系对肠道健康的深远影响。
什么是微生物的"交叉喂养"？
"交叉喂养"是指一种菌分解复杂糖分子后，释放中间产物到肠道环境中，而这些产物被其他无法直接分解原始糖分子的菌所利用的现象。这形成了一种资源共享的微妙生态平衡。
交叉喂养是肠道微生态系统稳定性和弹性的关键基础。通过交叉喂养，不同微生物贡献各自的酶系统，形成"流水线作业"，显著提高了整个微生物群落对复杂碳水化合物的利用效率。同时也能使微生物群落能够适应饮食变化和宿主生理状态的转变。
这种从“单一微生物”到“微生物网络”的研究视角转变，正引领我们进入微生物干预的新时代。
本文根据江南大学2024年发表在《Npj Biofilms and Microbiomes》的一篇综述性资料分享，探讨双歧杆菌的糖苷利用策略及其与其他微生物之间的交叉喂养关系，以及这些关系对宿主健康的潜在益处。
核心问题
双歧杆菌如何利用复杂糖苷（如人乳寡糖和植物糖苷）？
双歧杆菌与肠道其他微生物之间的交叉喂养关系如何形成？
这些交叉喂养关系对宿主健康有何影响？
了解双歧杆菌的糖苷利用和交叉喂养策略，不仅有助于揭示肠道微生态系统的运作机制，更为开发针对性的益生菌组合提供了科学基础，有助于改善肠道稳态和缓解相关疾病，包括由剖腹产和抗生素使用引起的菌群失调、代谢综合征和免疫缺陷等现代文明病。
通过深入理解这些微观世界的精妙协作，有望开发更精准的微生物干预措施，实现从"群落微生物学"向"分子营养学"的转型，为个性化健康管理和精准医学提供新思路。
关于双歧杆菌定植早期肠道，随年龄增长发生选择和变化
双歧杆菌在生命很早期就开始在肠道中定植，可以通过母亲传递给后代，发现母乳喂养的幼儿肠道双歧杆菌含量很高。
随着年龄增长，人类肠道中双歧杆菌的数量和多样性会发生变化，随年龄的增长，双歧杆菌的数量会下降。
在婴儿期，粪便中常见的是：
短双歧杆菌 (B. breve)
长双歧杆菌 (B. longum)
双歧双歧杆菌 (B. bifidum)
在成年期下列是优势菌种：
青春双歧杆菌 (B. adolescentis)
长双歧杆菌 (B. longum)
假链状双歧杆菌(B. pseudocatenulatum)
青春双歧杆菌的相对丰度随年龄增长而减少，而短双歧杆菌(B. breve)和长双歧杆菌(B. longum) 在老年人肠道中占主导地位。关于长双歧杆菌，我们在以前的文章写过，详见：双歧杆菌：长双歧杆菌
这些变化反映了双歧杆菌与人体生命周期的密切关联，对理解肠道健康与衰老的关系具有重要意义。
双歧杆菌的定植优势以及交叉喂养潜力
肠道中的富含且复杂的碳源为肠道微生物群提供了一个营养生态位。糖类的差异利用影响了肠道生态位中的双歧杆菌的形成，这可能解释了为什么某些种类的双歧杆菌在婴儿或成人的肠道中更为常见。
婴儿的母乳和成人的饮食中含有大量复杂结构的糖类和寡糖，这些物质无法被人体消化，因此作为肠道微生物群的底物经过大肠。
双歧杆菌的"口味偏好"
双歧杆菌代谢单糖、双糖和寡糖；然而，不同种类的双歧杆菌有着各自的"口味偏好"：有些喜欢植物来源的菊粉型果聚糖(ITF)；有些专门消化抗性淀粉(RS)；有些则偏爱半乳糖聚糖、木聚糖、阿拉伯糖。还有一些"挑剔"的种类专门利用来自宿主的糖类，比如母乳中的人乳寡糖(HMO)或肠道粘液中的粘蛋白。
那么，这些微生物是如何分解这些复杂的糖分子的呢？
人类肠道微生物群通过碳水化合物活性酶(CAZymes) 介导复杂糖苷的代谢。
研究估计，双歧杆菌利用约14.64%的CAZyme基因，包括糖苷水解酶(GHs) 和糖苷转移酶(GTs)，用于糖苷的运输、降解和调节，这一比例仅略低于拟杆菌，显示了它们在糖分代谢中的专业性。
拟杆菌是利用糖的多面手，谷禾以往的文章有专门写过，详见：
肠道核心菌——副拟杆菌属(Parabacteroides)，是否是改善代谢减轻炎症的黑马？
拟杆菌属重要菌种——单形拟杆菌 （Bacteroides uniformis），控制好其稳态很重要
人群检出率较高的粪便拟杆菌(Bacteroides stercoris)，你了解它吗？
肠道微生物群采用类似的策略来维持和分解复杂糖苷。
双歧杆菌编码一系列模块化的葡聚糖酶复合体，通过跨膜结构锚定在细胞表面。这些复合体包含编码GHs的基因，用于在细胞外消化长肽糖或糖苷，以及腺苷三磷酸(ATP)结合盒(ABC)运输系统的底物结合蛋白(SBPs)，用于捕获在进入细胞前消化的寡糖。目前尚未发现能利用所有糖苷的菌株；然而，特定类型的糖苷是被利用的。
不同双歧杆菌与其他肠道微生物在可用糖苷的范围、种类及利用策略方面存在代谢特异性，没有任何一种双歧杆菌能够利用所有类型的糖分子，这促使它们发展出了一种巧妙的生存策略——"交叉喂养"，促进双歧杆菌在肠道的适应性。
在这种关系中，一种微生物分解复杂糖分子后，会释放一些中间产物到肠道环境中，而这些产物恰好可以被其他无法直接分解原始糖分子的微生物所利用。这是一种资源共享的微妙平衡。
例如，在婴儿肠道中，长双歧杆菌和双歧双歧杆菌能够分解母乳寡糖(HMO)，释放出岩藻糖和短链脂肪酸等中间产物，这些物质随后被其他微生物（如嗜酸乳杆菌）所利用。这种交叉喂养策略不仅增强了整个肠道微生物对糖类的利用效率，也通过代谢产物的交换建立了微生物间的互惠关系，直接影响宿主的肠道稳态和健康。
双歧杆菌如何利用复杂糖苷
如人乳寡糖和植物糖苷
双歧杆菌的定植优势依赖于特定营养资源的可用性、需求和消耗率。双歧杆菌在不同阶段的碳水化合物代谢方式影响其对不同肠道环境的选择性适应。
由于营养来源的差异，婴儿的肠道环境与成人不同，特征是以双歧杆菌为主，它们以母乳低聚糖为主要碳源，包括：
婴儿双歧杆菌(B. longum subsp. infantis)、
短双歧杆菌(B. breve)
双歧双歧杆菌(B. bifidum)
然而，在断奶后引入复杂饮食时，具有更强植物糖苷分解能力的双歧杆菌，如下列菌更普遍：
长双歧杆菌(B. longum subsp. longum)
青春双歧杆菌(B. adolescentis)
链双歧杆菌(B. catenulatum)
假小链双歧杆菌(B. pseudocatenulatum)
双歧杆菌对糖苷的分解依赖于分布于细胞外或细胞壁内的大量的糖苷水解酶。双歧杆菌进化出几种具有重叠但不同底物特异性的同源酶。不同的物种对不同的糖苷结构具有不同的肠道适应性。
复杂糖苷首先由细胞外的糖苷水解酶降解为单糖或低聚糖，其中一些通过转运蛋白直接运输到细胞质中，而另一些被磷酸化。这些单糖、低聚糖以及其他简单碳水化合物进入双歧代谢途径（果糖-6-磷酸磷酸酮酶中心发酵途径）进行代谢，并用于ATP的生产。
双歧杆菌的代谢途径与肠道中细胞外糖的类型和浓度紧密相关。双歧杆菌通常根据可用糖的数量产生各种代谢物，包括乙酸、乙醇和甲酸；
当细胞外糖丰盛时，会生成乙酸和乳酸。因此，双歧杆菌采取不同策略进行定植，双歧杆菌对糖苷的捕获、降解和代谢能够决定它们在肠道中的营养生态位。
双歧杆菌的主要聚糖利用策略
doi: 10.1038/s41522-024-00524-6
总结如下：
双歧杆菌的糖苷利用策略
到达结肠的复杂糖苷(如人乳寡糖和植物糖苷)被双歧杆菌通过两种主要方式利用：
直接通过转运系统内化；
或由胞外糖苷水解酶裂解为简单结构后再转运到细胞内进行发酵。
不同种类的双歧杆菌具有不同的糖苷利用能力和策略。
主要双歧杆菌种类的糖苷利用特点
B.infantis
可通过转运系统内化大多数人乳寡糖
B.bifidum
通过丰富的胞外酶降解人乳寡糖(包括岩藻糖化糖苷)进行进一步内化和吸收
B.breve
利用有限的人乳寡糖(主要是2'-FL)
B.longum
擅长利用含有阿拉伯糖结构的植物糖苷
B.adolescentis
抗性淀粉的优秀利用者
B.pseudocatenulatum和B.catenulatum
可消耗一些人乳寡糖和植物糖苷
1婴儿双歧杆菌 (B. infantis)
婴儿双歧杆菌主要利用人乳寡糖(HMOs)
婴儿双歧杆菌(B. infantis)在细胞内利用大多数母乳寡糖(HMOs)的能力使其相较于其他利用HMO物种（如B. breve）具有竞争优势，从而在母乳喂养期间在婴儿肠道中占据主导地位。婴儿双歧杆菌对2ʼ-富糖乳糖(2ʼ-FL) 的加工依赖于ABC转运蛋白进行细胞内消化。
婴儿双歧杆菌包含几种细胞内酶，包括富糖酶、β-半乳糖苷酶、LNB磷酸化酶、N-乙酰-β-氨基己糖苷酶和唾液酸酶，以降解富糖化和唾液酸化的HMOs。
婴儿双歧杆菌的特异性转运蛋白
婴儿双歧杆菌有专门的"接收器"（转运体）来吸收母乳中的特殊糖分。研究人员发现，这种细菌有两种特殊的转运体，可以吸收母乳中的两种岩藻糖基乳糖(2'-FL和3'-FL)。细菌体内有酶能将这些复杂糖分解为岩藻糖，然后进一步转化为其他物质，如1,2-丙二醇、乙酸和乳酸。
除了含岩藻糖的成分外，母乳中其他一些复杂糖分，如LNT、LNnT、LNB和N-乙酰葡萄糖胺，也能促进婴儿双歧杆菌的生长。
如上研究发现，一种特定的婴儿双歧杆菌株(EVC001)能利用LNT和LNnT这两种母乳糖分，这与它拥有一个名为Blon2175-2177的特殊转运体系统有关。
这个系统位于一个称为H5的基因簇中，包含了利用母乳寡糖所需的所有基因。没有这个H5基因簇的菌株在以这些母乳糖分为食物源时，生长就会受到限制。
这些发现说明了婴儿双歧杆菌如何专门适应于婴儿肠道环境，能高效利用母乳中的独特成分作为营养来源。
2长双歧杆菌 (B. longum)
长双歧杆菌可以代谢阿拉伯木聚糖
长双歧杆菌(B. longum)是一种能在人体肠道中长期存在的有益菌，从出生到老年，它都能在我们体内稳定生存。这种菌的数量多少与我们在不同年龄段吃的食物有很大关系。当我们的饮食发生变化时，这种菌会相应调整自己的基因，改变获取和分解复杂碳水化合物的能力。
长双歧杆菌之所以能如此成功地在人体内定居，是因为它有两个特殊本领：
一是能利用婴儿母乳中的特殊糖分（人乳寡糖）生长；
二是能分解谷物中复杂的植物纤维（阿拉伯木聚糖）。这使它能适应人类从婴儿到成人的饮食变化。
长双歧杆菌有些种类能分解母乳中特定类型的复杂糖分，特别是名为LNT和2'-FL的成分，但不能分解带有唾液酸的母乳糖分。它们还能利用肠道黏液中的某些糖链。这使得这些细菌在婴儿早期就能在肠道中找到自己的"生态位"（即生存空间）。
日本东京大学2017年的一项研究发现，一种特定的长双歧杆菌(JCM1217)能产生一种特殊的酶(LnbX)，这种酶可以把母乳中的LNT分解成更小的糖分子（LNB和乳糖）供细菌使用。另外，研究人员还发现另一种长双歧杆菌(M12)含有一种叫做α-1-2-L-岩藻糖苷酶的酶，使它能够利用2'-FL和LNT这两种母乳糖分生长。
长双歧杆菌——植物纤维分解专家
长双歧杆菌有一套专门的工具（酶和转运蛋白）来分解植物中的复杂碳水化合物，特别是那些含有阿拉伯糖的复合物。这种能力让它在成人和老年人的肠道中具有生存优势。
这种细菌拥有多种GH43家族的酶，就像一套精密的"分子剪刀"，可以协同工作来切断植物纤维中的化学键。不同的长双歧杆菌菌株对不同类型的植物纤维有不同的偏好，这取决于纤维的具体结构、长度和复杂程度。
有些特别复杂的植物纤维（如阿拉伯半乳聚糖蛋白）对大多数肠道细菌来说太"难啃"了，但某些长双歧杆菌菌株进化出了特殊的酶，可以至少部分地分解这些复杂物质。科学家们发现了一种名为GAfase的新型酶，它能去除阻碍其他酶工作的部分，就像是先"清理障碍"然后再进行主要的分解工作。
不过，即使是长双歧杆菌也不能单独完全分解所有的复杂植物纤维，它需要与肠道中的其他细菌合作才能彻底利用这些物质。此外，长双歧杆菌还能分解一些含氮的糖类结构，通过多种酶的协同作用释放出甘露糖和N-乙酰葡萄糖胺等更简单的糖分子。
这些能力使长双歧杆菌成为肠道中一个重要的"食物分解专家"，能够适应人类饮食中各种复杂的植物纤维。
3短双歧杆菌 (B. breve)
短双歧杆菌在复杂的人乳寡糖上生长有限
短双歧杆菌处理母乳中复杂糖分的方式与婴儿双歧杆菌很相似。它们都使用一种名为"ABC转运系统"的机制将完整的糖分子吸收进细胞内部，然后在细胞内进行分解。
不过，短双歧杆菌的能力有一定局限性。它不像婴儿双歧杆菌那样拥有处理所有母乳糖分的完整工具箱。短双歧杆菌主要能利用一些特定类型的母乳糖分，如LNT、LNnT和LNB，但对含有岩藻糖或唾液酸的更复杂糖分的处理能力有限。
短双歧杆菌的基因组中主要包含用于分解乳糖、岩藻糖、唾液酸等物质的基因。它有一种特殊的酶（外部唾液酸酶）可以从肠道粘液中释放唾液酸并利用它生长。另外，它还能分解某些含硫的糖分子。
菌株多样性与交叉喂养：依赖微生物网络的代谢策略
如上爱尔兰和荷兰团队研究了20种不同的短双歧杆菌菌株，发现它们都有各种类型的酶来分解不同的糖类物质，如麦芽糖、纤维二糖和半乳糖。
有趣的是，大多数短双歧杆菌不能直接利用母乳中含岩藻糖的成分(如2'-FL或3'-FL)，但它们能利用其他细菌分解这些物质后产生的岩藻糖。这说明肠道菌群中的细菌会相互协作，共同分解利用复杂的食物成分。
4两歧双歧杆菌(B. bifidum)
两歧双歧杆菌在细胞外降解HMOs和粘蛋白O-糖
两歧双歧杆菌与其他双歧杆菌有个显著不同：它有一套完整的"外部工具"（胞外酶)来处理母乳中的复杂糖分。这些酶可以在细菌细胞外直接分解复杂的母乳寡糖，将它们切成更小的部分，如乳糖、岩藻糖和唾液酸。
研究发现两歧双歧杆菌有一种特殊的酶(SiaBb2)，它不仅能分解糖分，还能帮助细菌附着在肠道内壁上，这对细菌在肠道中的定居非常重要。
避免“内卷”，找到自己的“生存路”
有趣的是，两歧双歧杆菌似乎专门"选择"了一条与众不同的生存之路。它不太擅长处理一类叫做N-糖苷的物质，而是专注于另一类叫做O-糖苷的分子（主要存在于肠道粘液中) 。这种专业化让它避免了与其他双歧杆菌直接竞争，找到了自己的生态位。
两歧双歧杆菌拥有特殊的酶来分解肠道粘液中的糖类结构，还有一些特殊的"抓手"（碳水化合物结合模块）能帮助这些酶更好地接触到目标物质。研究还发现，它能分解粘液中特定的化学键以及含硫的糖分子，这些能力可能不仅影响它自己的生长，还能影响其他肠道细菌的代谢活动。
这些特性使两歧双歧杆菌成为肠道生态系统中一个独特而重要的成员，它以自己的方式与其他细菌和宿主建立互利关系。
5青春双歧杆菌(B. adolescentis)
青春双歧杆菌更喜欢降解淀粉
青春双歧杆菌的竞争优势主要体现在其对植物糖甘露聚糖（如抗性淀粉、甘露寡糖和菊粉）的利用上。
抗性淀粉：一种通常不被我们消化系统完全分解的淀粉，存在于冷却的煮土豆、生香蕉等食物中
菊粉：一种存在于菊芋、洋葱等植物中的天然糖类
甘露寡糖：存在于豆类和某些坚果中的复杂糖类
青春双歧杆菌含有α-淀粉酶、糖原支链酶、聚糖酶和特定的淀粉结合模块，这些酶促进了抗性淀粉的完全降解。
编码其他糖甘露聚糖的酶，包括半乳糖苷酶、甘露糖苷酶、β-木糖苷酶和阿拉伯呋喃糖苷酶，也同样反映了青春双歧杆菌在降解膳食糖甘露聚糖方面的偏好。
青春双歧杆菌的寡糖代谢与短链脂肪酸产生能力
Mulualem等人从青春双歧杆菌ATCC15703中鉴定了一种α-半乳糖苷酶(BgaC)，它通过转糖基作用从乳糖中产生半乳寡糖(GOS)。值得注意的是，青春双歧杆菌消耗寡糖，并且更倾向于在甘露寡糖(DP ≤ 4)和甘露糖上生长，使用β-葡萄糖苷酶(GH1)和β-果糖呋喃糖苷酶(GH32)，而不是复杂的β-甘露聚糖。
Salas-Veizaga等人报道，青春双歧杆菌代谢葡萄糖醛酸化的木寡糖(GXOs)和木寡糖(XOs)(DP 2-6)以产生短链脂肪酸。青春双歧杆菌更喜欢(A)XOS而不是阿拉伯糖或木糖，并编码一种能够在小麦AX上生长的内切1,4-β-木糖酶基因。
6假小链双歧杆菌(B. pseudocatenulatum)
假小链双歧杆菌和B. catenulatum消耗宿主和植物糖元
假小链双歧杆菌和B.catenulatum存在于婴儿和成人的肠道中。它们的CAZyme基因在不同年龄的宿主中有所不同，这表明这两种物种对宿主和植物糖类都有相对发达的降解系统。
消化母乳中的特殊糖分
假小双歧杆菌(B. pseudocatenulatum) MP80菌株有α-岩藻糖苷酶(GH29和GH95)这两种特殊酶，能够专门消化母乳中含岩藻糖的低分子量人乳寡糖，比如乳二岩藻四糖。这让它能在婴儿肠道中获取独特的营养来源。
分解植物纤维的能力
这种细菌还拥有内切-1,4-β-木聚糖酶(GH10)，能够利用来自植物细胞壁的长链木聚糖衍生物（聚合度2-4的木寡糖）。这是很特别的能力，因为大多数双歧杆菌分解木聚糖的能力都很有限。
这种酶像"剪刀"一样切断木聚糖主链，产生木寡糖和木糖。有趣的是，这种细菌不会独占所有养分——部分产物自己吸收利用，其余则释放到肠道环境中供其他细菌使用，形成一种"共享经济"。
其他消化能力
在MCC10289菌株中，科学家们发现了β-L-阿拉伯糖苷酶，这种酶帮助细菌消化阿拉伯半乳聚糖蛋白侧链和L-阿拉伯糖，这些都是植物中常见的成分。
研究者Hosaka等人还发现JCM 1200菌株能产生蔗糖磷酸化酶和β-果糖苷酶，这些酶能分解蔗糖（普通食糖）和类似的二糖N-乙酰蔗糖胺。
总的来说，B. pseudocatenulatum拥有多种特殊的"消化工具"，使它能在肠道中高效利用不同来源的碳水化合物，无论是母乳中的特殊糖分还是植物纤维，这可能是它对人体健康有益的原因之一。
7链状双歧杆菌 (B. catenulatum)
B. catenulatum的基因组中包含多种参与消化人乳寡糖、木聚糖、淀粉及其衍生低聚糖的糖苷水解酶基因，这让它能够适应宿主饮食的变化。这种细菌能将人乳寡糖（包括2'-岩藻糖乳糖和乳-N-二岩藻己糖）转运到细胞内，然后通过岩藻糖苷酶、β-半乳糖苷酶和乳-N-二糖苷酶的协同作用，将它们分解成N-乙酰葡萄糖胺和单糖。
此外，B. catenulatum的细胞外木聚糖酶能将阿拉伯木聚糖切割成木寡糖和阿拉伯木寡糖，这些产物随后被细胞内的阿拉伯糖苷酶和木糖苷酶进一步分解成阿拉伯糖和木糖。
简单总结说，链状双歧杆菌和前面提到的假小链双歧杆菌类似，都具有强大的消化能力。它能消化婴儿母乳中的特殊糖分，也能分解植物中的复杂纤维，将这些难以吸收的物质转化为简单的糖分。这种多样化的消化能力使它成为肠道中非常有价值的益生菌，能随着人从婴儿期到成人期饮食的变化而调整自己的代谢方式。
双歧杆菌的主要聚糖利用策略
doi: 10.1038/s41522-024-00524-6
双歧杆菌与其他肠道菌群之间的交叉喂养关系如何形成？
肠道微生物的代谢网络
肠道微生物群大多是辅助营养型的，不同物种对糖复合物的同化可能相似（代谢冗余）。因此，它们仍然需要与其他物种竞争或从肠道环境中获取营养。依赖于释放代谢物到环境中的其他微生物，竞争物种可以在平衡中共存；这些无成本的代谢物促进了微生物之间的相互作用。
不同代谢物之间存在交叉喂养，特别是那些利用特定复杂化合物以释放代谢副产物的物种，这些副产物进一步被那些无法单独在这些化合物上生长的物种同化。双歧杆菌依靠其酶降解和寡糖运输系统从宿主中消耗糖复合物，导致肠道的稳定定植，并促进双歧杆菌种群内或与其他细菌（如拟杆菌和丁酸盐生产者）之间的交叉喂养关系。
doi: 10.1038/s41522-024-00524-6
双歧杆菌在整个生命周期中都存在交叉喂养。主要类别是基于母乳低聚糖(HMO)和基于植物多糖的交叉喂养。具体而言，当同时培养于HMO上时，双歧杆菌更可能将HMO降解产物交叉喂养给其他非HMO降解主导细菌和丁酸盐生产者。当在植物多糖上进行交叉喂养时，双歧杆菌更可能依赖于其他主导降解细菌的细胞外降解产物而繁荣生长。
基于HMO的双歧杆菌交叉喂养使其在婴儿肠道中占主导地位
基于人乳寡糖的双歧杆菌与产丁酸菌的交叉喂养
B. infantis 代谢人乳寡糖，产生寡糖和代谢物（如 1, 2-丙二醇和乙酸），这些物质通过与其他细菌（如 Eubacterium hallii 和 Anaerostipes caccae）的交叉喂养，在母乳喂养婴儿的肠道中发挥重要作用。
Cheng 等人发现，B. infantis 利用 6ʼ-唾液糖乳糖(6ʼ-SL)进行乙酸的生产，并与 Faecalibacterium prausnitzii 进行交叉喂养以转换为丁酸，这导致 B. infantis 增殖。这可能与 F. prausnitzii 分泌细胞外唾液酶以促使 B. infantis 中唾液酶的表达，从与增加乙酸的生产有关，并且这种交叉喂养活动的发生依赖于人乳寡糖的分子结构。
两种双歧杆菌物种之间的合作性HMO降解
在细胞外降解人源低聚糖(HMOs)时，双歧杆菌(包括B. bifidum和B. longum)产生的产物部分释放到公共环境中，诱导与其他利用HMOs能力较弱的双歧杆菌种类进行交叉喂养。
例如，B. longum降解LNnT产生的产物可以被B. pseudocatenulatum交叉喂养，而B. pseudocatenulatum降解2ʼ-FL产生的低聚糖支持B. longum的生长。
B. bifidum并不是婴儿肠道中的主要物种；然而，作为HMOs的细胞外降解者，它通过释放HMO衍生物与其他物种进行交叉喂养，从而影响肠道微生物组的组成。B. bifidum与B. breve之间的人源低聚糖代谢是互补的，这也促进了这两种菌株之间的交叉喂养。B. bifidum利用岩藻糖酶和FL转运蛋白在细胞外释放乳糖和岩藻糖，这些产物交叉喂养给B. breve。这表明B. bifidum容易与缺乏细胞外岩藻糖酶的其他岩藻糖消费者交叉喂养。
然而，B. bifidum更倾向于在乳糖上生长而不是岩藻糖，这表明无私是其主要功能。除了合作外，B. breve可以与B. bifidum竞争乳糖；共存的关键在于B. bifidum通过上调相关酶和转运蛋白的基因表达释放更多乳糖。类似的现象也在粘蛋白和唇糖的共培养中观察到了。
研究人员证明B. bifidum从唾液酸化聚糖中释放唾液酸和乳糖，这支持了B. infantis和B. breve的生长，作为交叉喂养的次级代谢产物。
B. bifidum不吸收岩藻糖、半乳糖、唾液酸和N-乙酰氨基葡萄糖-6-磺酸，因此，粘蛋白O-糖链的降解可能与其他物种合作完成，例如B. breve，后者利用这些源自粘蛋白的碳水化合物片段。
HMO基础上双歧杆菌与其他肠道细菌的互喂养
建立在双歧杆菌与其他肠道细菌之间的交叉喂养关系可以帮助完善早期生活中肠道微生物群内的相互作用网络。程等人表明，通过发酵阿拉伯糖产生的代谢物1,2-PD可以促进重组肠道无菌小鼠中Limosilactobacillus reuteri的定植。
Nogacka等人研究了B. bifidum和Lactobacillus gasseri之间基于2-ʼFL的代谢相互作用，发现B. bifidum IPLA20048通过交叉喂养细胞外降解产物（半乳糖、阿拉伯糖和乳糖）促进了L. gasseri IPLA20136的增殖，并且在B. bifidum中与碳水化合物运输相关的α-阿拉伯糖苷酶编码基因上调，从而增加了碳水化合物的生产。
母乳喂养婴儿的肠道微生物群在断奶前后会因饮食而发生显著变化，从而促进更复杂的微生物相互作用，并诱导肠道微生物群的结构和成分逐渐稳固和成熟。
基于聚糖利用的双歧杆菌交叉饲养策略
doi: 10.1038/s41522-024-00524-6
断奶后基于植物聚糖的双歧杆菌交叉喂养使其能在肠道中持久存在
基于植物糖苷的双歧杆菌与产丁酸菌的交叉喂养
乙酸和乳酸是双歧杆菌对寡糖代谢的最终产物，是双歧杆菌与丁酸菌之间交叉喂养的重要底物。当在AXOS上生长时，除了将乙酸转化为丁酸外，产丁酸菌消耗AXOS以生产阿拉伯糖和木糖，这些糖可以作为B. longum的底物。
Bhattacharya等人调查了基于半乳糖取代的β-甘露聚糖寡糖的B. adolescentis和Roseburia之间的交叉喂养。
Moens等人证实双歧杆菌可以轻易地在FOS和菊粉型果聚糖上进行交叉喂养，以产生双歧杆菌的生长与丁酸产生效应，并且乙酸转化为丁酸的程度与双歧杆菌种之间的糖苷酶降解能力差异密切相关。具体来说，当与F. prausnitzii共同培养时，B. breve只能利用果糖，不能消耗FOS和ITF，并依赖F. prausnitzii产生的单糖降解果聚糖以进行生长。
B. adolescentis更喜欢短链FOS而非ITF，使其能够将乙酸交叉喂养给F. prausnitzii，并利用其FOS继续生长。相反，B. longum或B. angulatum在ITF上与F. prausnitzii竞争，导致共培养系统中丁酸合成效率最低。
基于植物多糖的双歧杆菌物种之间的交叉喂养扩大了碳源的可用性
当共培养时，无法降解植物糖苷的双歧杆菌种类依赖于能够降解的其他种类。例如，Centanni等人报告称，当在高玉米淀粉培养时，B. pseudolongum通过产生1型外源性蒲白酶和α-淀粉酶释放葡萄糖、麦芽糖、麦三糖，这些产物交叉馈送给B. animalis。更重要的是，具有相似营养代谢的双歧杆菌种类可以通过交叉馈送相同的底物来扩展其营养生态位，而不是竞争。
例如：B. bifidum PRL2010缺乏利用植物糖苷的降解系统，如淀粉和木聚糖；然而，当与其他菌共培养时，如B. adolescentis 22 L、B. breve 12 L、B. thermophilum JCM1207，它可以利用其他双歧杆菌释放出的简单碳水化合物生长，并促进其糖利用基因的表达。
当与其他双歧杆菌共培养时，B. adolescentis在参与木糖代谢的基因表现出最显著的变化，反映了这些菌株的遗传适应性增强，这可能有助于宿主在特定饮食变化期间扩展碳水化合物的利用潜力。
双歧杆菌与其他肠道细菌协作降解复杂的植物糖苷
复杂糖类的降解产物在肠道微生物群中的交叉喂养取决于目标糖类的复杂性。由于缺乏完整的降解和转运系统，双歧杆菌对难以降解的植物糖类（包括木聚糖、长链菊粉和甘露聚糖）具有有限的能力；因此，它们依靠其他细菌将可溶性短糖类物质作为交叉喂养底物（如AXOS、XOS、FOS和甘露糖）在细胞外释放。一些拟杆菌属和乳酸菌属的成员是主要的糖类降解细菌，能够与双歧杆菌交叉喂养，包括B.longum、B.animalis、B. adolescentis。
当在简单的木聚糖（如葡萄糖醛酸木聚糖和小麦阿拉伯木聚糖）上培养时，B. adolescentis ATCC 15703依赖于来自Bacteroides ovatus ATCC 8483产生的AXOS，在缺乏木聚糖酶(GH98）降解系统的情况下生长。
果聚糖的交叉喂养与糖链的取代基和长度密切相关，复杂的果聚糖（即含有蔗糖单元的果聚糖）被主要降解者降解以产生短链化合物，供次级消费者利用。B. longum倾向于使用短链菊粉，促进与Lactobacillus paracasei的合作，完全降解长链菊粉并产生果糖、乳酸和乙酸。
B. longum与拟杆菌之间基于木聚糖、II型各糖苷和AGP存在交叉喂养关系。Wang等报告称，当与Bacteroides caccae ATCC 43185共同培养时，B. longum NCC 2705依靠B. caccae降解的落叶松木AG的碳水化合物片段生长良好。
Vega-Sagardía等报告称，B. ovatus HM222降解木聚糖并通过释放XOS和细胞外酶促进B. longum PT4的生长，并且B. longum PT4中α-L-阿拉伯糖苷酶、L-阿拉伯糖异构酶和木酮糖异构酶的分泌量增加。然而，由于拟杆菌在pH <5.5时生长不良，B. longum发酵产生乙酸和乳酸，导致拟杆菌基质转化（从琥珀酸转化为丙酸）的效率降低，进而导致琥珀酸积累。因此，交叉喂养拟杆菌受到pH限制，用于降解复杂AG或木聚糖的联菌种需要其他物种的参与，例如Prevotella、Roseburia intestinalis。
值得注意的是，B. longum与拟杆菌之间的交叉喂养关系是互惠的，B. longum的植物糖苷代谢的次级产品可以交叉喂养某些糖苷代谢系统较差的拟杆菌。例如，B. longum降解的与AGP相关的低聚糖可以与Bacteroides vulgatus交叉喂养，这促进了后者菌株中木糖苷酶的表达。
B. longum在与植物糖苷共同培养时促进了Bacteroides thetaiotaomicron中甘露糖苷酶和木糖苷酶的功能。
考虑到数据有限，双歧杆菌的交叉喂养互动是否对整个肠道群落内碳水化合物利用的平衡产生积极贡献仍有待确定。
这些交叉喂养关系对宿主健康有何影响？协同组合
双歧杆菌产生的交叉喂养活动凸显了它们在获取或提供其他细菌的底物方面的关键生态作用。这种相互依赖的互动也可以增强参与者的代谢功能，从而扩展它们原有的营养生态位。补充含有双歧杆菌的多菌株共生菌可以帮助肠道微生物群在早期生活中成熟和稳定，并增加有益代谢物（如丁酸）的分泌，最终预防与肠道微生物群失衡相关的慢性疾病。
这种菌株的协同组合协同调节肠道微生物群和健康稳态，并且比单一菌株更不易受到内源性微生物的影响。然而，目前对多菌株共生菌调节健康的研究仅停留在现象描述层面，对组合的基本原因、配方基础和有效机制的明确解释仍然稀缺。
因此，应基于益生菌对糖苷的偏好及其交叉喂养关系探索这种多菌株共生菌的可能性和必要性。肠道微生物群常常受到年龄、饮食习惯和抗生素的影响，因此需要根据不同宿主的需求，使用适当和个性化的策略来调节菌群稳态。
doi: 10.1038/s41522-024-00524-6
宿主的双歧杆菌从出生起受多种因素影响。母乳喂养以及益生菌和益生元的使用有助于建立肠道微生物群的互动网络，包括交叉喂养。这种交叉喂养关系可以促进多菌株合生元的配制，这对改善肠道稳态和缓解因剖腹产和抗生素使用而导致的相关疾病，包括菌群失调、代谢综合征和免疫缺陷，是有效的。
婴儿早期生命中交叉喂养的益处
○ 促进婴儿肠道微生物组的早期定植和多样性
○ 增强免疫系统发育和功能
○ 减少致病菌定植的风险
○ 缓解剖腹产和抗生素使用导致的微生物组变化
成人生命中交叉喂养的益处
○ 维持肠道微生物组的多样性和稳定性
○ 改善肠屏障功能
○ 增加短链脂肪酸的产生
○ 减轻代谢性疾病的风险
○ 调节免疫反应
老年期交叉喂养的益处
○ 延缓肠道微生物组多样性的年龄相关下降
○ 减轻炎症性疾病
○ 改善认知功能
○ 增强免疫系统功能
生命早期——双歧杆菌交叉喂养的有益效应
改善剖腹产和抗生素使用导致的微生物定植的不良后果
出生方式（剖腹产）和抗生素治疗对婴儿期肠道微生物群产生负面影响，这表现为致病菌的积累，双歧杆菌和拟杆菌的减少，以及增加婴儿代谢、炎症和免疫紊乱的风险。
补充具有广泛人乳寡糖代谢能力的双歧杆菌菌株（如婴儿双歧杆菌），益生菌和能够刺激双歧杆菌生长的益生元，已被用来逆转由分娩方式引起的肠道微生物群失调。
——补充R. gnavus可以促进B. breve的增殖
B. breve利用前者从2′-FL中释放的乳糖，并有助于将早产儿微生物组转变为富含双歧杆菌的群落。
——由Lactobacillaceae rhamnoides、B.breve 、Propionibacterium freundenreichii与FOS结合的混合物
该混合物促进了双歧杆菌的定植，并减少了肠球菌科、梭菌科和韦荣球菌科的丰度，最终纠正了由剖腹产和抗生素诱导导致的肠道微生物组的不良变化。
一项宏蛋白质组分析显示，双歧杆菌中用于HMO降解的酶（包括β-半乳糖苷酶和β-半乳糖基N-乙酰己糖胺磷酸化酶）表达显著，而鼠李糖乳杆菌可能从HMO降解释放的单糖中受益。这些研究表明，与肠道居住菌种（特别是双歧杆菌）作为盟友一起施用益生菌和/或益生元在恢复婴儿肠道微生物群失调方面是有效的；这种具有协同作用的多菌株和益生元组合可作为婴儿配方食品的补充。
促进双歧杆菌的优势地位和完善肠道菌群构建
基于HMO的代谢相互作用可以塑造婴儿肠道微生物群的组成。双歧杆菌（尤其是B. infantis）在母乳喂养婴儿的肠道定植中被优先考虑，这取决于它们吸收HMO的优越能力。
双歧杆菌在出生后不久基于HMO代谢发挥优先效应，消耗肠道中大部分碳源，从而阻止后来物种的定植，促进婴儿肠道稳态的建立，并抑制病原体（如艰难梭菌和沙门氏菌）的生长。
B. breve的肠道定植是优先效应的一个例子。
考虑到B. breve对HMO的有限利用能力，其优势地位的形成不仅仅与HMO消耗的表型相关，而是依赖于与其他双歧杆菌的交叉喂养。
双歧杆菌中涉及的交叉喂养活动在肠道微生物群的组装中起着关键作用。
B.infantis Bg2D9促进了Prevotella copri Bg131在营养不良小鼠肠道中的定植，并促进了含有阿拉伯聚糖的饮食中阿拉伯糖的释放，这通过交叉喂养促进了肠道中其他物种的增殖，包括B. catenulatum、Blautia obeum。这可用作严重急性营养不良儿童的饮食干预。
总之，肠道微生物群在出生后具有高度可塑性，可以通过引入含有适当协同生物的饮食来促进肠道稳态。确定这些相互作用的过程和结果可用于饮食干预，以实现个性化营养。
成年期间——双歧杆菌交叉喂养的有益效应
重建肠道微生物群结构和肠道稳态
内源性双歧杆菌的普遍存在程度在成年期低于早期生命阶段；然而，由于饮食多样性的增加，双歧杆菌参与的交叉喂养活动，促进了与肠道微生物群和宿主之间的更多相互作用。
多菌株合生元的膳食补充有助于促进双歧杆菌的增殖并重建稳定的肠道菌群。抗生素暴露可能破坏肠道微生物群的丰度和多样性，而引入已删除的核心微生物群可以通过互营关系帮助重建肠道免疫稳态。
一种人乳寡糖和婴儿型双歧杆菌的合生元，通过促进乙酸盐和丁酸盐的产生，来改善肠道微生物群的不平衡并影响肠杆菌科细菌的生长。
后续研究发现，这种依赖于人乳寡糖的双歧杆菌策略，可以增加乳酸摄取者（韦荣氏菌属）的丰度，并通过减少促炎代谢物对甲酚硫酸盐来缓解抗生素诱导的肠道微生物群失调。
对甲酚详见：对甲酚——自闭症辅助诊断和干预的关键指标
刺激有益代谢物分泌，改善2型糖尿病、肥胖等
由于与产丁酸菌的交叉喂养关系，双歧杆菌丰度的变化与粪便中乙酸盐和丁酸盐浓度密切相关，它们的代谢相互作用可以调节如2型糖尿病(T2D)和肥胖等代谢综合征。
丁酸盐在调节血糖水平方面发挥着重要作用。一种含有Akkermansia muciniphila、婴儿双歧杆菌(B.infantis)、三种产丁酸菌和菊粉的合生元，以改善2型糖尿病，并确定粘液噬菌菌和婴儿双歧杆菌与丁酸盐生产菌的交叉喂养活动促进了丁酸盐的产生，这需要体内验证。
扩展阅读：AKK菌——下一代有益菌
多菌株合生元也被用于改善肥胖个体的能量代谢、免疫功能和肠道微生物群。
引入了一种由GOS、长双歧杆菌(B. longum)和B. bifidum组成的合生元来调节肥胖，并确定瘤胃球菌(Ruminococcus)的增加可用于丁酸盐的生产。
Nguyen等人148通过共现网络分析使用阿拉伯木聚糖治疗肥胖，发现长双歧杆菌通过降解阿拉伯木聚糖释放寡糖，与拟杆菌属、考拉杆菌属(Phascolarctobacterium)和Subdoligranulum进行协同和相互作用，促进乙酸盐的产生并缓解肥胖。
扩展阅读：肠道核心菌属——考拉杆菌属（Phascolarctobacterium），与减肥相关？
饮食改变和合生元干预可用于增加肠道中双歧杆菌的丰度并促进有益代谢物的分泌，从而缓解代谢紊乱；然而，其临床意义仍有待确定。
未 来 展 望不同阶段营养——驱动双歧杆菌的适应性演化
肠道中双歧杆菌的种群动态与宿主的营养阶段密切相关。从婴儿期的母乳（富含人乳寡糖等简单糖苷）到成年期的复杂植物糖苷（如阿拉伯木聚糖、β-葡聚糖），饮食结构的转变直接塑造了双歧杆菌的糖苷代谢偏好。
这种代谢适应性使其能够通过调整糖苷水解酶(GHs)和转运系统，在不同年龄段维持肠道定殖优势。然而，相比拟杆菌等肠道菌群，目前对双歧杆菌胞内外GHs酶系及其底物转运机制的认知仍存在显著空白，尤其是底物识别能力如何影响其与其他菌群的互作，亟待深入研究。
交叉喂养机制：协同互作与科学挑战
双歧杆菌通过糖苷偏好性与其他肠道微生物（如拟杆菌、乳酸杆菌）建立交叉喂养网络。例如，其分解阿拉伯木聚糖(AX)或阿拉伯半乳聚糖(AG)的代谢产物可被拟杆菌二次利用，而β-葡聚糖、果聚糖等糖苷的协同代谢机制尚未明确。
种间协作的未知领域：现有研究多聚焦单一菌种，而双歧杆菌属内（如长双歧杆菌与假链状双歧杆菌）及跨属（如与乳酸杆菌）的代谢分工机制亟待阐明。
研究范式局限：当前对多菌株协同效应的研究偏重健康干预的终点指标（如菌群丰度变化），却忽视对互作过程的动态解析（如底物传递路径、酶系统互作），导致协同组合设计缺乏理论依据。
未来研究方向与转化应用策略
机制层面：阐明双歧杆菌（如长双歧杆菌与假链双歧杆菌）间的种内协同机制，以及其与乳酸杆菌等菌的种间互作规律；
技术层面：结合多组学手段，揭示GHs酶系与转运系统的底物特异性，明确关键代谢节点；
应用层面：基于年龄或营养阶段特征，开发靶向双歧杆菌交叉喂养网络的个性化菌群配方，并优化干预时机。
个性化精准营养与功能性食品开发
基于双歧杆菌的糖苷偏好设计靶向性膳食补充剂或功能性食品。
可能的应用方向：
□ 开发含特定糖苷（如LNT、阿拉伯木聚糖）的“益生元+益生菌”组合产品，定向激活双歧杆菌的代谢通路；
□ 例如将B. infantis与丁酸产生菌和特定益生元(如人乳寡糖或阿拉伯木聚糖)结合，形成基于交叉喂养原理的协同生物产品；
□ 开发基于肠道菌群特征的“糖苷-菌株匹配算法”，优化益生元/益生菌组合方案；
□ 针对老年人肠道菌群特征，设计富含双歧杆菌偏好糖苷的老年营养配方（如抗性淀粉微胶囊）；
□ 利用双歧杆菌的唾液酸代谢缺陷，设计不含唾液酸化糖苷的婴幼儿配方奶粉，抑制致病菌定殖。
□ 基于不同双歧杆菌菌株之间以及与其他微生物的交叉喂养关系，开发新型发酵食品，优化营养价值和健康效益。
代谢疾病干预与菌群疗法
通过调控双歧杆菌的交叉喂养网络治疗肥胖、糖尿病等代谢疾病。
可能的应用方向：
□ 筛选能高效分解膳食纤维（如β-葡聚糖）的双歧杆菌工程菌株，用于改善胰岛素抵抗；
□ 构建“双歧杆菌-乳酸杆菌”共生菌群胶囊，通过协同降解果聚糖缓解肠道炎症；
□ 开发靶向双歧杆菌GH43酶的小分子激活剂，增强植物纤维代谢能力以控制血糖。
跨学科健康管理工具开发
整合双歧杆菌研究数据构建健康预测与干预平台。
可能的应用方向：
□ 建立“肠道糖苷代谢图谱”数据库，结合机器学习预测更精细化的个体菌群失衡风险；
□ 整合肠道菌群多组学数据与饮食记录，训练机器学习模型预测特定双歧杆菌菌株对宿主代谢的影响阈值；
□ 开发便携式肠道糖苷检测设备（如生物传感器试纸），实时指导饮食调整。
□ 建立母乳低聚糖（HMO）与婴儿粪便中双歧杆菌丰度的关联数据库，指导母乳喂养不足时的精准营养补充。
通过将菌群营养研究提升至分子互作水平，可推动微生物组治疗向“分子营养学”转型，例如设计特定糖苷底物激活双歧杆菌的靶向代谢通路，或利用协同菌群组合重塑宿主-菌群互惠关系，从而为代谢疾病防治提供新策略，是微生物组治疗的未来趋势。
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本文转自：谷禾健康
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