解析碳納米材料在腸道微生物內的“前世今生”

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近日，國家納米科學中心研究員陳春英課題組在腸道微生物發酵人工合成碳納米材料生成內源有機代謝產物方面取得重要進展。相關研究已在《美國國家科學院院刊》發表。

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腸道微生物對碳納米材料的厭氧發酵過程。受訪者供圖

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的最終命運。然而，碳納米材料和腸道內的眾多組分，如食物、碳水化合物、蛋白和脂質等分子，以及生命基本構筑單元‘細胞’含有相同的組成元素—碳元素，傳統方法無法實現碳納米材料在腸道內代謝轉化過程的精準分析。

“為解決這一難題，我們建立了穩定同位素13C骨架標記與代謝流同位素示蹤的創新分析方法，明確解析了碳納米材料在腸道微生物內的‘前世今生’。”該論文第一作者、國家納米科學中心副研究員崔雪晶說。

在該研究中，團隊首先發現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。通過篩查兩種碳納米材料口服暴露后宿主腸道的代謝產物，發現乙酸和丁酸等短鏈脂肪酸含量明顯升高。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酵生成丁酸的過程。微生物測序揭示產丁酸菌是利用碳納米材料生成丁酸的優勢菌種。

該工作發表后，被《自然》雜志作為亮點進行報道“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，突破傳統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源有機代謝產物，揭示體內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。

相關論文信息: https://doi.org/10.1073/pnas.2218739120

Nature Highlight：https://doi.org/10.1038/d41586-023-01540-w