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南京农业大学联合我司发表高水平学术论文

发布时间:2023-05-18新闻出处:浏览量：

南京农业大学李伟教授（通讯作者）联合江苏佰澳达生物科技有限公司在国际期刊《International Journal of Biological Macromolecules》（JCR一区, IF=8.025）上发表题为“Advanced structural characterization and in vitro fermentation prebiotic properties of cell wall polysaccharide from Kluyveromyces marxianus”的高水平学术论文。Nanyu Tang为本文的第一作者。

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图文摘要

研究背景

马克斯克鲁维酵母（Kluyveromyces marxianus）是著名的乳酸克鲁维酵母（Kluyveromyces lactis）的姐妹种，与酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）具有亲缘关系。由于K. lactis和K. marxianus都可以使用乳糖作为碳源，因此这些酵母菌经常从乳品中被分离出来。由于K. marxianus具有许多优点，包括对各种基质的强适应性、对较高温度的耐受性和较高的比生长率，因此比K. lactis受到更多的关注。K. marxianus在美国被普遍认为是安全的，并被中国卫生部和欧盟认可为食用菌。通过前期研究，对来自不同来源的K. marxianus的3种酵母α-甘露聚糖（MPS）进行了初步表征，并系统地研究了它们对潜在益生菌的促增殖作用。虽然3种酵母MPS的结构重复单位相似，但它们的益生元活性略有不同。众所周知，多糖具有复杂的结构，一般以生物大分子的形式存在，在溶液中发挥作用，因此对多糖的高级结构进行研究是有必要的。此外，肠道菌群富含碳水化合物活性酶，可以利用这些多糖产生宿主有益的代谢产物，如短链脂肪酸（SCFAs）。不同的多糖可以通过肠道菌群发酵产生不同比例的短链脂肪酸，这些短链脂肪酸对于降低肠道pH值、抑制病原微生物、缓解疾病、保持肠道屏障完整性起到至关重要的作用。

在本文中，研究人员进一步通过扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、粒径、Zeta电位以及差示扫描量热法研究了三种MPS（LZ-MPS、MC-MPS和G-MPS）在溶液中的高级结构。并将三种MPS用作单一碳源进行体外肠道菌群厌氧发酵，通过pH值、SCFAs产量和肠道菌群组成的变化，揭示了3种MPS在体外人体粪便发酵中的行为。最后，对体外多糖发酵后人体肠道菌群的代谢变化进行了初步研究。

结论和展望

研究人员对三种K. marxianus MPS的高级结构表征和体外人粪便发酵益生元特性进行了研究。AFM结果表明，3种MPS的多糖分支结构可以相互缠绕形成不同程度的强聚集，通过对粒径和粒径分布的分析进一步证实了这一点。3种MPS具有改变人体肠道菌群组成的能力，尤其是促进拟杆菌门（Bacteroidetes）的增殖。此外，短链脂肪酸的产量和组成受到影响，尤其是丙酸，其含量高于菊粉处理组。具体表现为LZ-MPS与拟杆菌属（Bacteroides）和丙酸的相关性更好，而MC-MPS与丁酸和副拟杆菌属（Parabacteroides）的相关性更强，G-MPS则与乙酸和考拉杆菌属（Phascolarctobacterium）的关联更强。在本研究中，3种MPS的分支程度和分子量导致多糖在溶液中的聚合程度不同，这可能影响了肠道菌群对多糖的偏好。这可以解释为，不同细菌降解多糖的酶在区分碳水化合物部分时表现出微妙的特异性。然而，肠道微生物生态系统是高度复杂的，并且受到基质竞争和微生物之间的交叉摄食相互作用的影响。因此，需要进一步研究肠道微生物群在3种MPS降解过程中的相互作用。在代谢方面，所有MPS均能促进细菌的辅因子、维生素、氨基酸代谢以及糖的生物合成和代谢。因此，LZ-MPS、MC-MPS和G-MPS能够调节人体肠道菌群，提高SCFAs水平，促进细菌对氨基酸和糖的代谢，改善肠道健康。

图1 LZ-MPS（a）、MC-MPS（b）和 G-MPS（c）100×、600×、5000×放大倍数的扫描电镜图像

图2 LZ-MPS（a）、MC-MPS（b）和G-MPS（c）分子结构的AFM图像

图3 LZ-MPS、MC-MPS和G-MPS在25℃超纯水（1 mg/mL）中的粒径分布（a-c）和表观Zeta电位分布（d-f）

图4 LZ-MPS、MC-MPS和G-MPS的DSC曲线

图5 LZ-MPS（a），MC-MPS（b）和G-MPS（c）体外发酵前后的HPSEC色谱图

图6 体外发酵24 h后的最终pH（a）和SCFAs浓度（b）

表1不同组间样本肠道菌群的Alpha多样性

Groups	Index^*
Groups	Shannon	Simpson	Ace	Chao
NFB	3.17±0.04^c	0.10±0.01^a	229.93±6.58^b	231.78±7.79^b
CFB	1.44±0.04^a	0.41±0.01^c	124.69±3.58^a	127.66±4.43^a
LZ-MPS	2.74±0.07^b	0.12±0.01^b	213.51±19.22^b	212.13±14.13^b
MC-MPS	2.84±0.03^b	0.12±0.00^b	215.94±17.72^b	211.94±18.04^b
G-MPS	2.65±0.15^b	0.14±0.04^b	207.76±9.00^b	215.40±11.97^b

图7 肠道菌群的组成。（a）肠道菌群门水平的细菌分类分析，（b）主坐标分析图，（c）门水平的层次聚类树，（d）OTU网络图（图中矩形代表不同样本）。NFB，无碳源组；CFB，菊粉处理组；LZ_MPS，LZ-MPS处理组；MC_MPS，MC-MPS处理组；G_MPS，G-MPS处理组

表2 不同处理下样本肠道菌群的门水平相对丰度

Phylum	Abundance (%)^*
Phylum	NFB	CFB	LZ-MPS	MC-MPS	G-MPS
Firmicutes	53.35±1.04^b	79.70±0.35^c	30.70±4.93^a	52.23±10.67^b	55.58±6.42^b
Bacteroidetes	0.18±0.05^a	2.79±0.14^a	60.71±3.70^b	28.15±10.12^b	35.14±5.22^b
Proteobacteria	26.61±1.18^d	10.19±0.25^c	6.52±0.25^b	15.20±1.48^c	6.01±1.01^a
Actinobacteria	11.14±1.67^b	2.83±0.75^a	2.51±1.48^a	3.98±0.36^a	2.97±0.19^a

图8 比较NFB、CFB、LZ-MPS、MC-MPS和G-MPS组的肠道菌群LEfSe和LDA。（a）圆圈表示从门到属的系统发育水平。每个小圆的直径与群体的丰度成正比，（b）细菌群落的LDA评分≥3.0，不同颜色的区域代表不同的群体

图9 基于KEGG通路II的肠道菌群功能预测。NFB，无碳源组；CFB，菊粉处理组；LZ_MPS，LZ-MPS处理组；MC_MPS，MC-MPS处理组；G_MPS，G-MPS治疗组

参考文献：

[1] Nanyu Tang, Changliang Zhang, Kai Ma, Xiaomeng Wang, Luyao Xiao, Xueliang Zhang, Xin Rui, Wei Li*. Advanced structural characterization and in vitro fermentation prebiotic properties of cell wall polysaccharide from Kluyveromyces marxianus. International Journal of Biological Macromolecules, 241 (2023), 124420.