顆粒在線訊：近日，中國科學院國家納米科學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)源有機代謝產(chǎn)物方面取得重要進展。相關研究成果以A new capacity of gut microbiota: fermentation of engineered inorganic carbon nanomaterials into endogenous organic metabolites為題，發(fā)表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。 

　　腸道微生物是納米材料進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。然而，碳納米材料和腸道內(nèi)的眾多組分，例如，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“細胞”含有相同的組成元素——碳元素，故傳統(tǒng)分析方法無法實現(xiàn)碳納米材料在腸道內(nèi)代謝轉(zhuǎn)化過程的精準分析。針對碳材料體內(nèi)代謝行為研究的難題，該團隊建立了穩(wěn)定同位素13C骨架標記與代謝流同位素示蹤的創(chuàng)新分析方法，解析了碳納米材料在腸道微生物內(nèi)的“前世今生”。 

　　本工作發(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。研究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。研究進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，進行降解發(fā)酵，并進入丙酮酸代謝途徑，最終生成丁酸的代謝機制。其中，多種關鍵的微生物代謝酶，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。微生物測序揭示產(chǎn)丁酸菌是利用碳納米材料生成丁酸的優(yōu)勢菌種。 

　　該論文發(fā)表后，《自然》（Nature）將這一成果作為亮點進行報道（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，突破了傳統(tǒng)微生物只能利用碳水化合物合成有機丁酸分子的認知，證實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)源有機代謝產(chǎn)物的新機制，從而揭示了體內(nèi)碳納米材料新的生物學命運，為拓展碳納米材料應用場景提供了重要理論支撐。 

　　研究工作獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項等的支持。 

腸道微生物對碳納米材料的厭氧發(fā)酵過程