木糖醇通过肠道微生物群的交叉喂养促进结肠中丙酸的合成( Xylitol enhances synthesis of propionate in the colon via cross-feeding of gut microbiota )

S Xiang K Ye M Li J Ying X Zhu

研究背景木糖醇是一种白色或透明的多元醇或糖醇，可被结肠微生物消化，促进有益菌的增殖和短链脂肪酸的产生，但其作用机制尚不清楚。我们研究了在小鼠的食物中添加0%、2%(2.17克/千克/天）或5%(5.42克/千克/天）（重量/重量）木糖醇3个月。除小鼠体内消化实验外，在结肠模拟系统(CDMN)中添加3%（重量/体积）（对人而言为0.27g/kg/天）的木糖醇7天。我们通过16S rRNA测序、有益代谢标记物定量、代谢组学和元翻译组学分析来探讨木糖醇的益生作用机制。选择与木糖醇消化相关的代表性细菌进行单菌培养和二菌、三菌共培养，探讨木糖醇在含葡萄糖、木糖醇、混合碳源、或无碳源的培养基中的微生物消化利用。此外，还从分子的角度探讨了微生物组成和SCFA变化的机理。结果在体内和体外实验中，我们发现木糖醇对肠道微生物组的结构没有显著影响。然而，它增加了所有的sCFA，尤其是管腔中的丙酸盐和粘膜中的丁酸盐，在体外其相应的细菌发生了移动。罗氏乳杆菌、脆弱类杆菌和大肠杆菌在利用木糖醇的过程中存在交叉摄食关系，即一种生物消耗另一种生物排出的代谢产物。在分子水平上，我们发现木糖醇脱氢酶(EC1.1.1.14)、木酮糖激酶(EC2.7.1.17)和木酮糖磷酸异构酶(EC5.1.3.1)是木糖醇代谢的关键酶，存在于拟杆菌属和拉氏螺旋体科中。因此，它们被认为是木糖醇消化的关键菌。木糖醇还影响丙酸的代谢途径，显著促进磷酸乙酰转移酶(EC2.3.1.8)在双歧杆菌中的转录，提高丙酸的产量。结论不同细菌消化木糖醇的关键酶共同支持微生态系统的生长，但同时也增加了丙酸盐的浓度，降低了pH值，限制了大肠杆菌和葡萄球菌的相对数量。木糖醇通过细菌间的交叉摄食和竞争，使肠道微生物群的比例动态平衡，促进与木糖醇代谢相关的酶和SCFAs的产生。

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