许多乳酸菌除了产生乳酸、乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸外，还能产生细菌素(bac-teriocin)。细菌素是由某些细菌在代谢过程中通过核糖体合成机制产生的一类具有生物活性的蛋白质、多肽或前体多肽，这些物质可以抑制或杀灭与之相同或相似的其他微生物。

迄今已经发现了几十种细菌素，其中最有名的且已经商业化生产的细菌素是乳酸链球菌素（nisin）。Nisin是由乳酸乳球菌乳酸亚种（Lactococcus Lactis subsp Lactis）的多个菌株产生的、作用谱广的细菌素，是典型的乳酸菌细菌素。1928年，Rogers和Whittier首次报道了nisin。此后，nisin被广泛深入地研究，1988年，它被FDA批准作为生物防腐剂用于多种加工食品。Nisin作为第一个细菌素获得了广泛的商业应用，这使得人们对由公认安全的微生物生产的细菌素非常感兴趣，因此，细菌素这一研究领域迅速发展，使得大量来自乳酸菌的细菌素被分离纯化出来，并且其化学结构得到了详细的表征。

目前大部分结构表征完全的细菌素都是来源于乳杆菌，但在开发新的细菌素过程中，研究者们发现一些肠道益生菌株也能产生细菌素。由于体内试验的缺乏，目前人们还不清楚细菌素在体内是否与菌群的优劣势、菌群的竞争性以及病原菌的抑制等相关，但是，动物试验的数据已经表明，细菌素可以降低肠道内肠杆菌的数量。而且临床数据表明，给病人喂食约氏乳杆菌（Lactobacillus johnsonii）发酵的牛奶制品可显著降低胃中幽门螺杆菌（Helicobacter pylori）的密度，这说明细菌素可以消除体内的竞争性病原微生物从而为有益微生物提供生存和增殖的机会。

相关研究成果：

设计PPI治疗方案，多考虑点：① 幽门螺旋杆菌阳性患者长期接受质子泵抑制剂（PPI）治疗会促进特殊腺体流失而导致萎缩性胃炎，故建议先根除幽门螺杆菌；② 153（0.24%）名进行幽门螺旋杆菌根除治疗后的患者，在PPI治疗后，中位7.6年间患上胃癌；③ PPI治疗设计时，要考虑患者初始胃部状况如萎缩性胃炎和肠上皮化生等，以及不同PPI（如奥美拉唑、雷贝拉唑、兰索拉唑等）在抑酸强度上的差异，强烈抑酸作用使萎缩性胃炎恶化；④ 还应考虑饮食习惯和癌症家族史等其他危险因素。

关于PPI与胃癌风险的关联研究，存在缺陷：① 现有指南建议需要长期使用质子泵抑制剂（PPI）的患者，需先进行幽门螺旋杆菌（HP）根除治疗，以改善萎缩性胃炎（一种癌前病变）；② Cheung等人在超过60000名接受过HP根除治疗香港成年人中发现，长期使用PPI可增加胃癌风险2.4倍，随着剂量及使用时间增加，胃癌风险增加；③ 该研究存在缺陷，仅是一项观察性研究，而非前瞻性随机干预研究，使用/未使用PPI的患者临床背景有差异；④ 另外，幽门螺旋杆菌根除治疗是否成功也可能影响最终结果。

关于PPI与胃癌风险，应考虑是否存在肠上皮化生：① Cheung等人发现质子泵抑制剂（PPI）的使用，与接受过幽门螺旋杆菌根除治疗的患者胃癌风险增加2.4倍相关，且胃癌风险与组胺-2受体拮抗剂（H2RA）无显著关联；② 选取571名来自日本的接受过幽门螺旋杆菌根除治疗的患者，进行回顾性队列分析；③ 肠上皮化生（IM）及PPI使用均与胃癌风险增加相关；④ 轻度IM患者中，PPI使用与胃癌风险增加相关，无IM或严重IM患者中，PPI与胃癌风险无显著关联；⑤ IM与PPI可能造成高胃泌素血症，共同增加胃癌风险。

幽门螺旋杆菌感染与中国成人的高血压相关：① 幽门螺旋杆菌感染与心血管疾病及其危险因素相关；② 纳入5246名成年人参与横断面研究，所有受试者均进行碳13尿素呼气测试和常规健康检查；③ 幽门螺旋杆菌感染与高血压患病率增加相关，与未感染幽门螺旋杆菌的受试者相比，感染者的舒张压增加0.735mmHg，平均动脉压增加0.723 mmHg；④ 在对高血压患病率的影响上，幽门螺旋杆菌感染与年龄、性别、体重指数之间无显著相互作用；⑤ 幽门螺旋杆菌感染与中国成年人高血压患病率正相关。

一、细菌素的分类

细菌素是由核糖体合成的多肽，由20-60个氨基酸组成，具有抑菌活性，产生菌对其细菌素有自身免疫性。几乎所有的细菌素在中性或偏酸性的环境中带负电荷，它们的分子链中通常含有伸出的疏水性或两亲性链段。

细菌素不仅种类丰富，而且在自然界的存在十分普遍，几乎每种细菌都可产生细菌素。根据细菌素产生菌分类的不同，可将细菌素广义分为革兰氏阴性菌细菌素和革兰氏阳性菌细菌素。这两类细菌素在分子量大小、结构、分泌转运机制、编码基因定位及作用机制等方面都有明显的差别。最初，细菌素的研究集中于革兰氏阴性菌细菌素，但是后来人们逐步将研究转向革兰氏阳性菌细菌素，因为该类细菌素的实际应用范围更广。

1988年，Klaenhammer根据分子量大小、结构组成等的不同将乳酸杆菌（革兰氏阳性菌）产生的细菌素分为4类，分别是：羊毛硫细菌素、不含羊毛硫氨酸的小分子热稳定肽、热敏感的大分子蛋白质和复合型的大分子复合物。

1.羊毛硫细菌素(lantibiotics)

羊毛硫细菌素是一类小分子的修饰肽，含19-50个氨基酸分子，分子活性部位有羊毛硫氨酸(lanthionine)、p-甲基羊毛硫氨酸(p-methyllanthionine)、脱氢酪氨酸(dehydro—butyrine)和脱氢丙氨酸(dehydroalanine)等非编码氨基酸，这些非编码氨基酸形成了这类细菌素独特的环状刚性结构。根据环状结构的不同又可将羊毛硫细菌素细分为两个亚类：Ia类为延伸的螺旋状结构，含21-38个氨基酸残基，分子量为2100-3500，带2-7个正电荷，具有两亲性，能在细菌质膜上形成电位依赖性的孔洞，如著名的nisin；Ib类为球形分子，分子中不超过19个氨基酸残基，分子量一般为1900-2100，带负电荷或不带电荷，能抑制细菌细胞壁的合成，为酶抑制物，如mersacidin是通过干扰敏感菌细胞壁的合成而杀菌的。

近年来，基于作用方式的分类遇到了挑战，首先，发现乳酸链球菌肽(nisin)通过两种机制发生作用，除了形成孔洞外，也能结合类脂Ⅱ抑制细胞壁的生物合成。其次，许多双肽链羊毛硫抗生素通过2个肽链组合形成活性功能区则进一步增加了这些细菌素分类的混乱。在群内的差异性基础上，再根据肽链的保守序列，将羊毛硫抗生素重新分为11个亚类，每一亚类的命名都反应它们的特性，11个亚类分别为乳酸链球菌素(nisin)、表皮素(pi-dermin)、streptin、pepo、乳链球菌素481(lacticin 481)、mersacidm、LtnA2、细胞溶素(cytolysin)，乳杆菌素S(lactocin S)、肉桂霉素(cinnamycin)和sublancin。

Nisin是一种易流动的固体粉末，灰白色或略带黄色，使用时需先将其溶于水或者水性溶液中，在不同pH下，其溶解度亦不同：在一般水（pH=7）中溶解度为49mg/mL，若在0.02mol/L HCl中，溶解度增加为118mg/mL，在碱性条件下几乎不溶解；热稳定性与其溶解性相关，在pH2.0或更低的稀盐酸中，经115.6℃灭菌失活40%，在pH6.8时将丧失90%的活性。

Nisin是由34个氨基酸组成的，分子式是Cl45 H228 O37 N42 S7，分子量为3350。Nisin分子结构中包含5种稀有的氨基酸，即ABA、DHA、DHB、ALA-S-ALA和ALA-ABA，它们通过硫醚键形成五个内环，其活性分子常为二聚体或者四聚体；具有nisin A和nisin Z两种形式，二者的差别在于氨基酸顺序上第27个氨基酸种类的不同，nisin A是组氨酸，nisin Z是天门冬酰胺。

2．不含羊毛硫氨酸的小分子热稳定肽

这类细菌素的分子量小于10000，含37-48个氨基酸残基，具有热稳定性。根据分子中特殊的N端序列、双组分通道结构以及是否有功能性巯基基团，又可将这类细菌素分为3个亚类，即Ⅱa、Ⅱb和Ⅱc类。Ⅱa类为类片球菌素(pediocin-like)，是这类细菌素中最多的一类，对单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）有很强的抑制作用，它们的氨基端都含有一段保守的序列(YGNGVXaaC)，其中X代表任意氨基酸。与第Ia亚类一样，Ⅱa类细菌素也是通过使敏感菌细胞膜形成通道而起到杀菌作用的，如pediocin AcH、sakacin A属于这类。Ⅱb类细菌素为含有2个不同肽链的寡聚体，需要2个肽链共同作用发挥抑菌活性，如lacticin F、lactococcin G在靶细胞质膜上形成由两种不同的蛋白质组成的通道。Ⅱc类细菌素是依赖于sec分泌途径的细菌素(如acidocin B)，它们的N末端和C末端以共价键相连，形成环状结构。

3．热敏感的大分子蛋白质（溶菌素bacteriolysins）

这类细菌素的分子量大于30000，遇热不稳定，如helveticins J，helveticins V和莴苣苦素B (lactacin B)属于此类。它们都有一个域类型的结构，分子链中不同的结构域分别具有易位、与受体结合和致死等活性。目前，人们完成了四个乳酸菌溶菌素遗传特性的表征工作。

4．复合型的大分子复合物

这类细菌素结构中包含其活性必需的脂质或糖类成分，如leuconocin S即为此类。目前，人们对这类细菌素的结构及功能知道的还不多。

二、细菌素的合成及分泌

1．细菌素的合成

一般情况下，调控产生有活性的细菌素的基因都在操纵子簇上，学者们在很多已完成基因测序的羊毛硫抗生素操纵子上发现了同源基因。大多数典型的羊毛硫抗生素操纵子都属于Ia类。Ib类羊毛硫抗生素Mersadicin的完整基因簇已经测出，结果显示很多基因转录的蛋白质都和已知的Ia类蛋白相似。编码细菌素的基因大部分位于质粒中，也有位于染色体上或转座子(如nisin)上的。细菌一般有编码结构蛋白、活化细菌素、跨膜定位、调节和使产生菌得到免疫性的蛋白基因。很多非羊毛硫抗生素如植物乳杆菌素(plantaricin)、片球菌素(pediocin)和米酒乳杆菌素(sakacin)的基因测序也已经完成，与羊毛硫抗生素基因（结构、运输、调节基因等）相比，存在一定的相似性，plantaricin系统的基因也编码共用一个转运系统和调节系统的多种细菌素。然而，每一种细菌素都有它自己专用的免疫系统。所有类别的细菌素都是由核糖体合成的，但只有羊毛硫细菌素类需通过转录后修饰才能产生活性。

相关研究成果：

共生功能体在植物生长中的作用：① 共生功能体由植物及其菌群组成，两者相互依存并形成复杂的共生动力学系统；② 植物相关菌群的主要来源为土壤菌群，也包含部分的空气、种子来源的菌群，植物菌群的多样性越高，其群落活跃度越低；③ 植物通过根系分泌物及免疫系统调控菌群，并通过LysM受体感知菌群释放的化学信号；④ 选择含有不同菌株的合成接种剂，可通过抑制植物病原体、提高固氮作用、改善生物量累积等方式促进植物生长。

环境因素对植物菌群的影响：① 已知植物菌群可提高作物产量和生产率，但野生条件下植物菌群形成的主要生物和非生物因子仍不明确；② 选取澳大利亚的4个甘蔗品种作为研究对象，通过地上及地下部分测定分析甘蔗菌群的驱动因素，并鉴定共享的核心菌群；③ 结果发现甘蔗相关菌群的组装主要由植物室决定，其它影响因素有种植区、作物年限、多样性、黄林综合征（YCS）等；④ 鉴定出甘蔗的核心菌群，并发现YCS影响了部分核心菌群的成员。

原生生物影响植物叶菌群的组成与功能：① 叶相关尾滴虫培养于植物叶子上洗下的多样性细菌群落中；② 利用鸟枪法宏基因组测序分析5天后的细菌群落分类学组成及功能变化；③ 尾滴虫的繁殖率、形态可塑性、细胞速度主要决定了细菌群落组成；④ 在尾滴虫存在的情况下，细菌分类群之间的复杂关联显著降低，提示尾滴虫的捕食降低了细菌之间的剧烈竞争；⑤ 尾滴虫捕食影响了14种代谢核心功能，包括VI型分泌系统的膜转运功能。

因为细菌素是由一个结构基因编码的，所以它的活性位点、结构和功能之间的关系可以更容易地通过基因操纵技术检出，也可以通过分子技术构建细菌素相似物来增加其活性或改变其特异性，这一特点与抗生素不同，抗生素是化学合成的，或涉及多个基因，需要复杂的基因操纵技术。

2．翻译后修饰形成有活性的细菌素

细菌素必须经过转录后修饰才能形成有效的转录本，编码修饰酶的基因通常位于结构基因附近。典型的细菌素合成方式是N端的引导序列连着C端的前体肽。通常前体肽在某一特定位点分裂去掉引导序列，形成有生物活性的分子，并将细菌素分泌到胞外。不含羊毛硫氨酸的小分子热稳定肽类细菌素的分泌机制，一般为双甘氨酸引导序列转运系统，也有的是信号依赖型的，由GSP系统加工和运输。大量研究表明，双甘氨酸引导序列之间的相似性，以及不含羊毛硫氨酸的小分子热稳定肽类细菌素相应的运输蛋白之间的相似性，使得利用某一细菌素运输系统产生另外一种细菌素，或利用一种细菌素转运系统产生多种细菌素成为可能，即利用异源分泌机制进行细菌素的表达。赵爱珍等利用大肠杆菌异源表达细菌素也取得较理想的效果。

羊毛硫抗生素大范围的翻译后修饰还包括几个稀有氨基酸的形成，总计超过12个稀有氨基酸在羊毛硫抗生素中被发现。非羊毛硫抗生素的前体肽同样需经修饰断开引导序列。这些修饰对于通过细胞膜分泌和运输的细菌素是非常必要的。

3．细菌素的跨膜运输

大多数的I类和Ⅱ类细菌素都是通过特定的ABC转运体系统运输到细胞外的，但是少数的Ⅱ类细菌素是通过分泌依赖系统(Sec-dependent system)运输到细胞外的。依赖于ABC转运体的细菌素主要可分成两种：双甘氨酸引导序列的细菌素和带有不同的引导序列但非分泌引导序列的细菌素。双甘氨酸引导序列的细菌素主要是Ⅱ类细菌素，此外，还包括一些羊毛硫抗生素。细菌素分泌时，ABC转运体的水解结构域与其前体肽的引导序列相结合，从而引发ATP水解和转运体构象变化，最终使得引导序列分离脱去，同时，成熟的细菌素分子跨过细胞质膜分泌到细胞外。在细菌素分泌到胞外的过程中，还需要一个辅助蛋白。分泌带有不同类型引导序列的羊毛硫抗生素的ABC转运体没有N端水解蛋白质的能力，是通过一个专一的蛋白酶如nisin的NisP将引导序列移去的。

三、细菌素的作用机制

乳酸菌细菌素可通过不同的机制产生抑菌效果，通常其目标是细胞膜。细菌素作用的最初动力是靶细胞膜和细菌素之间的静电引力，不同类型的细菌素的作用机制是不同的。

1．羊毛硫细菌素的作用机制

虽然不是每一种羊毛硫抗生素的作用机制都很清楚，但一般都含有靶位点。

Ia类细菌素的作用机制之一是形成孔洞和抑制细胞壁合成。羊毛硫抗生素中，nisin、Pepo、subtilin（枯草菌素）、lacti-cin3147和streptococcinFF22可以在敏感微生物的细胞膜上形成短时、非选择性的孔洞，抑制氨基酸的运输，并且导致小分子如氨基酸、离子和ATP的释放。在体内没有发现形成孔洞机制的推定目标蛋白受体，却发现了脂质体与形成孔洞有关。形成孔洞是一个耗能的过程，现在对这一类细菌素的作用机制的大部分知识都来自nisin对人工膜系统作用的研究。

Nisin具有双重作用机制：nisin形成孔洞，引起跨膜电势消失，使质子动力(PMF)丧失，由于细胞内外pH不同而导致离子的泄漏和ATP的水解，从而导致细胞死亡；nisin也可以结合肽聚糖前体类脂Ⅱ，从而干扰细胞壁的生物合成。Nisin的双重机制使其在纳摩尔浓度即能发挥作用。

Wiedemann等人的研究发现，Nisin可以使细胞膜形成直径为2-2.5nm的孔洞，增加细胞膜的通透性，引起跨膜电势消失，使得细胞膜上的质子动力(PMF)丧失，pH梯度(△pH)和跨膜电势（△φ）全部消散，最后使得所有的合成进程终止。细胞膜的组成是Nisin形成孔洞的重要影响因素，体外研究表明，类脂Ⅱ是Nisin特异性结合细胞膜的靶分子。遗传工程改造的Nisin变体帮助鉴定了其与类脂Ⅱ相互作用时需要的结构。变体改变了Nisin N-末端的构象，导致结合减少，并使穿孔需要的Nisin浓度增加。变体Nisin的结合常数为0.043×107 / mol，而正常Nisin为2×lO7 /mol，引起穿孔的最小浓度则从2 nmol/L上升到50 nmol/L。变体Nisin的弹性铰链区在穿孔中完全失去作用。在体内测定抑菌效果，它们的活力没有完全丧失，未丧失的活力来自未失去结合类脂Ⅱ能力的变体。Nisin结合类脂Ⅱ可抑制其进入到肽聚糖网络中。Nisin的N-末端可以在细胞膜上结合细胞壁合成前体类脂Ⅱ，抑制肽聚糖的合成。与Nisin诱导的没有入坞分子形成的孔洞相比，膜表面负电荷不是必需的。然而，NisinC-末端的正电荷在与阴离子细胞壁聚合体结合时是非常重要的，因此，可以在体内产生抑菌活性。

除了形成孔洞和抑制细胞壁合成外，Nisin和Pep5还可诱导敏感的葡萄球菌细胞自溶，导致整个细胞壁的降解，这一反应主要发生在分化子细胞的分隔区。细菌素能释放两种细胞壁水解酶，N-乙酰胞壁酸-L-丙氨酸酰胺酶和N-乙酰葡萄糖苷酶，它们是很强的阳离子蛋白，经静电相互作用，与细胞壁中带负电荷的物质结合。阳离子肽与细胞壁内抑制物通过一个类似阳离子交换的过程把后者取代，然后酶被激活并快速裂解细胞。

Ib类羊毛硫抗生素主要包括肉桂霉素(cinnamycin)和杆菌肽（mersacidin）两类，通过结合特异性膜脂发挥活性，它们也是酶抑制剂。肉桂霉素类细菌素通过与脑磷脂结合形成复合物，抑制磷酸解作用。

Mersacidin的抑菌机制既不同于Ia类羊毛硫抗生素，也不同于其他的Ib类羊毛硫抗生素。用mersacidin处理敏感细菌可使其生长终止和缓慢裂解。除了肽聚糖合成外，其他大分子的合成不受影响，此外，细菌的细胞壁变薄。因此，抑制细胞壁的生物合成是mersacidin最主要的作用方式。比较mersacidin处理的细菌细胞质中的肽聚糖前体发现，最终可溶的肽聚糖前体UPD-MurNA-pentapeptide不受细菌素的影响，这说明mersacidin抑制合成途径中接近最后的与膜相关的一步，例如，在巨大芽孢杆菌中是在转糖基作用这一步，或者是第一步聚合反应。后来的研究显示，这一抑制作用的分子基础是mersacidin与类脂Ⅱ的相互作用，并不是糖基转移酶的作用，与Nisin 一样，mersacidin也结合类脂Ⅱ，但与misin的结合位点不同，而且不能形成孔洞。一些抗生素如万古霉素通过在这一分子肽的侧链结合类酯Ⅱ抑制转糖基作用，但是mersacidin并不与这一侧链结合，也不与其他抗生素位点结合。

2．不含羊毛硫氨酸的小分子热稳定细菌素的作用机制

这类细菌素主要通过形成孔洞，引起细胞膜溶解，消耗细胞内ATP并导致氨基酸和离子的泄漏而杀死敏感细胞。这类细菌素对单核细胞增生李斯特菌的敏感性可能与其磷酸转移酶系统EIlt Man中的甘露醇透性酶有关，磷酸转移酶系统EIlt Man是1个糖摄取／磷酸化系统，现在已有多条证据证明其中的甘露糖透性酶是这类细菌素的一个特定的受体。这一理论最初得到肯定是由于细菌素天然抗性突变株在这一系统中的一个特定单元的表达减少，即在具有leucocin A抗性的单核细胞增生李斯特菌中不产生IIAB，同时，另一株抗mesentericin Y105的单核细胞增生李斯特菌中编码EIlt Man 另一个亚单元的mptD也不产生IIAB。具有mesentericin Y105和leucocin A抗性的单核细胞增生李斯特菌的突变株同时显示编码这一透性酶的mptACD基因的表达减少。

3．热不稳定的大分子蛋白质类细菌素的作用机制

溶菌素(bacteriolysins)就是热不稳定的大分子蛋白质类细菌素，其溶解敏感细菌细胞膜的机制与上述I类和Ⅱ类细菌素完全不同，它能促进细胞壁的溶解。这些蛋白质也是构建细胞壁的成分，而且在N-末端具有反应区域，它们具有相同的肽链内切酶，并且C-末端可能具有目标识别位点。与真正意义上的细菌素不同，溶菌素的特异性免疫基因和其结构基因并不是相邻的，但是它们可能通过修饰产生菌的细胞壁而赋予产生菌对其的免疫性。

四、细菌素的免疫性

合成细菌素的细菌对其产物具有免疫性是细菌素不同于抗生素的一种现象。编码“免疫蛋白”的基因接近于细菌素其他的结构基因和加工基因。细菌素的结构基因和免疫基因通常都位于同一个操纵子上，而且经常是相邻的。目前，大多数对细菌素的免疫性的研究都集中在羊毛硫抗生素Nistn和一些Ⅱa类细菌素上。

羊毛硫抗生素的免疫性最初认为是由于免疫基因的作用，如Nisln的nisl和Subtilin的spal分别编码Nisl和Spal免疫蛋白。然而，细菌素的免疫性是几种蛋白质相互影响的结果，因为其他基因的删除会导致宿主细胞免疫性的改变。例如，非Nisin产生的Nisin抗性菌株乳酸乳杆菌（Lactobacillus lactic）没有编码Nisl蛋白的基因元件，但是有和nisF、nisE、nisG相似的序列。这些被认为使得菌株对Nistn产生抗性。nisG基因的删除使得细胞对Nistn的抗性减少。

非羊毛硫抗生素的Ⅱ类细菌素的免疫现象比较简单，由一个基因编码免疫蛋白。Eijsink等通过对12个Ⅱa类细菌素免疫蛋白的对比研究发现，相似的细菌素，其免疫蛋白的同源性很低，反之亦然，这说明这些相似的细菌素之间可能存在某种通用的靶物或“受体”。有试验发现，细菌素的免疫蛋白除了膜整合蛋白外，还存在于胞质中，表明这种免疫蛋白可能是自由跨膜穿梭分子，通过形成膜结合蛋白来保护细菌素在膜位点的作用，而非直接作用。

五、细菌素的抗性机制

抗生素抗性通常和遗传定子有关，它有利于细胞间、菌株和菌种间的抗性转移。目前，大多数对细菌素的抗性机制的研究也都集中在羊毛硫抗生素Nisin和一些Ⅱa类细菌素上。不像大多数抗生素抗性，细菌素抗性是靶细胞膜生理上改变的结果。如李斯特菌的细胞膜比较僵硬，CI5：C17的比率较低，导致它对Nisin的忍耐力增加。Nisin在不同单核细胞增多性李斯特细菌内产生自发扰性的频率从l0-2～10-7变化。在这些自发的突变体内，抗性的产生与细菌的细胞被膜的变化有关，如细胞膜的流动性和电荷的变化、细胞壁的厚度和电荷的变化或者这些因素的综合作用。Ming等发现，Nisin抗性李斯特菌，膜上的磷脂酰甘油、双磷脂酰甘油和bisphosphatidylglyceryl phosphate的数量都减少了。虽然很多研究指出，是细胞膜组分的改变导致抗性的出现，但还可能是由于一种或多种酶的表达或失活。Gravesen等发现，pediocin PA-I抗性的李斯特菌突变体增加了编码β-葡糖苷-特异磷酸烯醇丙酮酸盐-依赖磷酸转移酶系统(PTS)基因片段的表达量。目前，和Nisin抗性增强或者天然具有Nisin抗性相关的基因位点已经找到。细胞被膜电荷的变化似乎是某些细菌天然耐受Nisin的最重要的原因。

有研究发现，Ⅱ类细菌素对单核增生李斯特菌的敏感性可能与甘露醇特异的透性酶EIItMan有关。而EIItMan基因失活的李斯特菌突变体对pediocin AcH具有很高的抗性。与抗性的nisin突变体类似，细胞膜的流动性和细胞表面电荷的变化也是突变体产生对Ⅱ类细菌素抗性的影响因素。随着进一步的研究，新的抗性机制无疑会变得更加明显。变异链球菌株细菌素的产生被戈登链球菌所抑制，这种抑制是通过灭活相应的诱导肽实现的，这是一个有趣的由细菌素介导的竞争菌株之间进行通信的案例。

总之，细菌素抗性的出现除了是细胞膜改变的结果，还可能是由于一种或多种酶或诱导肽的表达或失活。

六、Ⅱa类细菌素

随着近年来世界范围内发生的多起单核细胞增生李斯特菌引起的中毒事件以及由此而带来的危害，使得预防和控制食品中的李斯特菌成为了人们关注的热点。在研究中发现，某些乳酸菌细菌素能抑制李斯特菌，因此，这类细菌素引起了人们特别的关注，这些细菌素通常都属于Ⅱa类细菌素，Ⅱa类细菌素是Ⅱ类中数量最多且研究得也最多的一群，目前为止发现的所有Ⅱa类细菌素都有强烈的抗李斯特菌的活性。某些Ⅱa类细菌素还可抑制某些食品中的腐败菌，因而Ⅱa类细菌素具有很好的控制食品腐败菌及病原菌的潜在应用前景，它们可以被认为是最有希望应用于多种工业用途的细菌素。因此，本节将Ⅱa类细菌素单独列出。

按照组成不同，乳酸菌产生的EPS可以分为三大类：①葡聚糖类，如右旋糖苷(dex-t。an)、改性葡聚糖及变异聚糖(mutans)；②果聚糖类，如左聚糖(levan)和菊粉(inulin)；③由嗜温乳酸菌及嗜热乳酸菌产生的杂多糖。

相关研究成果：

利用加氏乳杆菌中的菊粉蔗糖酶，通过蔗糖合成菊粉：① 菊粉由通过β-（2,1）糖苷键连接的果糖残基组成；② 克隆、表达和纯化来自加氏乳杆菌DSM 20604的菊粉蔗糖酶基因；③ 该重组菊粉蔗糖酶是一种分子量为63KDa的单体蛋白，其蔗糖水解和转糖基活性的最适pH为5.5；④ 蔗糖水解、转糖基活性和总活性的最佳温度分别为45℃、25℃和35℃，最佳酶用量为4.5U / g蔗糖，较高的蔗糖浓度极大促进了菊粉的生物合成；⑤ 菊粉蔗糖酶产生的是一种菊粉型果聚糖，分子量为5.858×10（6）Da。

日常饮食高纤维，对菊粉响应更明显：① 34名健康志愿者根据饮食调查分成低膳食纤维（LDF）组和高膳食纤维（HDF）组，组内分别给予菊粉型果聚糖益生元和安慰剂干预3周；② 益生元可使显著增加LDF和HDF组双歧杆菌属丰度；③ 此外，HDF组中Faecalibacterium菌属丰度显著增加，粪球菌、Dorea和瘤胃球菌属丰度显著降低；④ 相比LDF组，HDF组的肠道菌群反应更大，因此更有可能受益于菊粉型果聚糖益生元；⑤ 研究用该益生元调节肠道菌群促进健康时，应考虑习惯性膳食纤维摄入的情况。

在临床诊断中快速鉴定病原体的新方法：① 基于16S宏基因组测序的病原鉴定在临床诊断、公共卫生监测和流行病调查等领域具有重要价值，但是一直受制于生物信息学方法的不完善；② 介绍了一种基于16S宏基因组测序数据的快速鉴定病原体的生物信息学方法：16SPIP；③ 该方法兼容多种不同的测序平台，具有快速和高灵敏度两种工作模式，能够准确鉴别346种不同的人类病原体；④ 方法流程中包含了数据转换、质量控制、合并双末端读长序列、alignment、病原体鉴定等工具。

白藜芦醇治疗克罗恩病(IBD)，证据还不够（综述）：① 白藜芦醇是一种天然（多）酚， 在葡萄、红酒、葡萄汁和几种浆果中含量丰富；② 其可被作为糖苷吸收后由胞质葡糖苷酶切割为糖苷配基，肠道菌群产生的β-糖苷酶也可降解白藜芦醇；③ 动物研究表明，白藜芦醇可减少促炎症细胞因子，降低ICAM/VCAM的表达，减少中性粒细胞浸润、氧化应激，并抑制TLR4/NF-κB通路，上调SIRT1的表达，增强抗氧化作用；④ 目前只有两项在溃疡性结肠炎患者上的研究，表明白藜芦醇可部分改善炎症，后续还需深入探究。

IBD患者肠道里富集的活泼瘤胃球菌：① 对20名IBD患者和12名健康人的每月粪便样品（266个）进行宏基因组测序，发现患者体内可耐受增加的肠道氧化应激的兼性厌氧菌丰度明显升高；② IBD患者体内的活泼瘤胃球菌大量增殖，且通常与疾病活动度增加同时发生，鉴定出两种金黄色葡萄球菌，其中一种在IBD患者体内富集；③ 对IBD患者体内分离的9个菌株进行测序，鉴定了199个参与氧化应激反应、粘附、铁获取及粘液利用的IBD特异性、菌株特异性基因；④ 上述基因赋予活泼瘤胃球菌适应性优势。

肠道类器官充分助力IBD病理生理机制研究：① Dotti等分析UC患者和非IBD对照组来源的上皮类器官培养（EpOC）的转录信号特征，两组间一系列基因表达不同，该系统可作为研究IBD患者肠道上皮的模型；② 建立8例缓解期克罗恩氏病患者的EpOC库，EpOC上皮完整，转录特征性分子稳定表达，3D肠道类器官的上皮屏障功能有效，具有先天性肠道上皮屏障的生理特征；③ 肠道类器官培养模型可有效研究上皮屏障功能，不仅可用于IBD病理生理机制的研究，亦可用于转化性药物疗效的研究。

生物制剂及其它新药在IBD治疗中的进展：① 最新的克罗恩病治疗药物包括：优特克单抗（靶向IL-12及IL-23的P40，已被FDA批准）及靶向P19的IL-23单抗（已完成2a期临床试验）；② 以及JAK抑制剂（Filgotinib及upadacitinib）、SMAD7反义寡核苷酸（Mongersen，调节TGF-β1信号通路以促进抗炎症作用）；③ 最新的溃疡性结肠炎治疗药物包括：JAK1及JAK3抑制剂（托法替尼）、白细胞迁移抑制剂（Etrolizumab及PF-00547659）、鞘氨醇-1-磷酸酯（SIP）调节剂（Ozanimod，抑制淋巴细胞迁移）。

肠道活泼瘤胃球菌如何识别唾液酸？：① 活泼瘤胃球菌是典型的人体肠道共生菌，利用反式唾液酸酶降解黏液蛋白，该酶具有唾液酸特异的糖结合蛋白（RgCBM40）;② RgCBM40有CBM40蛋白亚家族典型的β-三明治夹层结构，特异结合α2,3或α2,6-唾液酸乳糖苷，特异性识别具有广谱性；③ RgCBM40可与杯状细胞分泌的粘液以及纯化的黏液蛋白结合，可视为新的黏附素，其结构广泛分布于厚壁菌门；④ 活泼瘤胃球菌以唾液酸为媒介，与肠粘液结合；⑤ 为研究共生菌在肠道定植与分布提供了新信息。

通常，葡聚糖被定义为一种主要包括α-l，6键的葡聚糖，它的结构随着生产菌株的不同而不同。其商业生产菌株是肠膜明串球菌NRRL B-512F，由该菌产生的具有代表性的葡聚糖(dextran)的化学结构，其主链由α-l，6键连接，支链由少量(约占5%)的α-l，3键连接。由其他一些细菌产生的葡聚糖的结构是多种多样的。肠膜明串球菌NRRL B-1355、肠膜明串球菌NRRL B-1498和肠膜明串球菌NRRL B-1501产生的葡聚糖，有一个以α-l，3键和α-l，6键规律性交替连接的骨架。由于这种多糖不具有连续的α-l，6键显著区域，所以它并不是真正意义上的葡聚糖，因而将其命名为改性葡聚糖(alternan)。

从化学结构上看，果聚糖具有多种分子结构，由一个葡萄糖单位连接两个或更多个果糖单位。已知有三种果聚糖三糖，每一种都是通过一个果糖的糖苷键，将果糖连接到蔗糖分子三个羟基中的一个上而形成的。果糖与蔗糖分子中的果糖基的第一个碳相连，形成1一蔗果三糖（1-kestose）也叫异蔗三糖(isokest-ose)；其与第六位碳相连形成6一蔗果三糖（6-kestose）。这两种果聚三糖都有一个葡萄糖末端和一个果糖末端。果糖若与蔗糖分子中的葡萄糖基的第六位碳相连，则形成新蔗果三糖，来源于嗜温乳酸菌的EPS的化学组成的变化程度要高于嗜热乳酸菌产的EPSEPS，前者常含有一些乙酰化或者是磷酸化的残基。研究者们发现，一些乳球菌也能产生EPS。这些EPS中常含有葡萄糖及半乳糖，而且鼠李糖及带电残基的存在也是相当普遍的。大多数能够引起啤酒及白酒变质的片球菌可合成高分子量的G-葡聚糖。嗜热乳酸菌产的EPS中，大多数含有D-葡萄糖和D-半乳糖，有时也会出现L-鼠李糖。

EPS具有与蛋白质类似的三维立体结构，其一级结构，即糖基的组成、糖基排列顺序、相邻糖基的连接方式、异头碳的构型以及糖链有无分支、分支的位置等，决定了它的高级结构。一级结构中相对较小的变化都会引起EPS空间构型及其性质的巨大改变。EPS的二级结构是指多糖的骨架链内以氢键结合所形成的聚合体，即多糖分子的主链构象并不涉及侧链的空间排布。二级结构进一步卷曲、折叠形成特定构象的三级结构。多糖的四级结构是多糖链间的相互协同结合，即亚单位现象。由于乳酸菌EPS的种类繁多、结构多样，目前对于其微生物胞外多糖的生物合成因菌种不同而发生在生长的不同阶段和环境条件下。按合成位点和合成模式的不同，微生物胞外多糖的合成分为，位于细胞壁外的同型多糖的合成与位于细胞膜上的异型多糖的合成。同型多糖的合成为不依赖C55-lipid-pp的合成模式，异型多糖的合成则为依赖C55-lipid-pp的合成模式。

1．同型多糖的生物合成

同型多糖，如由肠膜明串珠菌生产的葡聚糖，是在胞外合成的，合成体系包含糖基供体（蔗糖）、糖基受体及葡聚糖蔗糖酶。在葡聚糖的合成中需解决的问题包括：单链或多链反应、启动子、主链延长方向、链的终止、受体机制及支链连接方式等。葡聚糖的合成属单链反应机制，葡聚糖蔗糖酶是一个糖苷转移酶（蔗糖-6-葡萄糖基转移酶），它将供体（如蔗糖）的糖苷基团转移到受体即正在延长的葡聚糖主链上，蔗糖可启动其自身的多聚化反应，并不需要葡萄糖作为启动子。葡聚糖的合成特点是以蔗糖为唯一底物，合成所需的能量来自蔗糖的水解而不是糖基核苷酸，不需要脂载体和独立的分支酶，产物分子量大。

2．异型多糖（HePS）的生物合成

较同型多糖(HOPS)的生物合成相比，异型多糖的生物合成过程比较复杂，涉及多种酶与蛋白质。异型多糖的生物合成是在细胞质内由许多复合体聚合而成的。葡萄糖和乳糖是异型多糖的来源。葡萄糖-6-磷酸是糖酵解途径和异型多糖合成途径的关键中间产物：既可以经磷酸己糖异构酶转化形成果糖-6-磷酸，进入糖酵解途径，产生的ATP中一部分用于异型多糖的合成；又可以经α-磷酸葡萄糖变位酶转化形成葡萄糖-1-磷酸，进入异型多糖合成途径。葡萄糖-1-磷酸经相关酶转化形成异型多糖前体糖核苷酸，这些糖核苷酸发挥着重要的作用，不仅为聚合提供能量，而且可以激活糖基和促进糖基的相变（如差向异构、脱羧、脱氢等）。糖核苷酸前体在糖基转移酶的作用下，将第一个糖基加载在一种磷酸盐脂载体上，随后相关的一种或多种特异性糖基转移酶按一定顺序将新的糖基加载在不断增长的重复单元上。最终聚合成异型多糖，通过细胞膜转移分泌到胞外。目前重复单元的聚合机制以及聚合体的分泌输出机制仍不是很清楚，但已有初步证据证明LAB中存在类异戊二烯脂载体。乳酸乳球菌乳脂亚种NIZO结构及与功能的关系的报道还相对较少。酶系统包括己糖激酶、糖核苷酸合成及转移酶、糖基转移酶、聚合酶等。异型多糖的合成始于糖核苷酸的胞内合成，之后，糖核苷酸在液态载体中形成重复的单元，最后一步将重复单元聚合，并从细胞膜运输到细胞外，或者共价黏附在细胞壁上，如荚膜多糖；或者分泌到环境中，如黏液多糖。

异型多糖的生物合成是一个耗能过程。前体糖核苷酸的合成，脂载体的磷酸化，重复单元的聚合及集合体转移输出都需要能量。而乳酸菌产生的能量远远不够，这在很大程度上限制了异型多糖的产量。因此，在培养过程中增加过量水平的ATP可以大大提高EPS的产量。另外，糖核苷酸前体和类异戊二烯糖脂载体还参与细胞壁多聚物，如肽聚糖、磷壁酸、脂多糖等的生物合成。所以，糖核苷酸和类异戊二烯糖脂载体的浓度水平也是影响EPS产量的关键因素，在细菌生长缓慢，细胞壁大分子合成减少的情况下（如在低温情况下），异型多糖的产量会提高。此外，在异型多糖的生物合成过程中，涉及大量的特异性糖基转移酶和相关活性蛋白，可以通过提高糖基转移酶及活性蛋白的浓度和活性水平，从而提高其产量。

3．EPS的遗传调控

随着乳酸菌分子生物学研究的不断深入，至今已经有22种乳酸菌基因组完成测序并公布，至少有12株的测序工作正在进行中。乳酸菌基因组在一个特定的范围内变化，1.8-2.6Mb不等，但是植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)的基因组相对较大，为3.3Mb。

双歧杆菌和乳酸杆菌这两种革兰氏阳性菌分别具有较高和较低的GC含量，其中长双歧杆菌（Bifidobacterium longum）的GC含量高达60.1%，而乳酸杆菌从30.9%-50%不等。

兼性动物-细菌共生是动物健康的关键决定因素，共生被认为是互惠的，然而并没有严格评估过共生细菌是否从中受益；利用果蝇与其主要共生细菌（植物乳杆菌）的单关联模型，发现植物乳杆菌可促进营养不良果蝇的生长；共生对植物乳杆菌的适应性同样有积极影响：细菌在肠道运输过程中面临强大损耗，会迅速耗尽它们的营养资源并崩解，果蝇幼虫可分泌维持因子增加细菌适应性；果蝇/细菌共生是兼性营养互惠的实例。

选取包含两岐双岐杆菌R0071、长双歧杆菌R0033、长双歧杆菌R0175、瑞士乳杆菌R0052、鼠李糖乳杆菌R0011等5个菌株的三种产品;利用至少在亚种水平具有特异性的多克隆抗体对不同批次的益生菌分别进行定量分析，并利用SYTO® 24与碘化丙啶（PI）染色分析益生菌活性;在两台流式细胞仪上分别由两人进行检测，在高达73%的案例中，相比于传统微生物计数方法，流式细胞仪可获得更高的益生菌细胞计数。

eps基因位于染色体或质粒上，如嗜热链球菌的eps基因位于染色体上；乳酸乳球菌乳脂亚种MS产EPS的特性受一个大小为18.5 Mu的质粒的控制；干酪乳杆菌干酪亚种产EPS的特性受一个大小为4.5 Mu的质粒的控制；产EPS的德氏乳杆菌保加利亚亚种不含质粒。eps基因簇通常是单向排列，转录成单个多顺反子mRNA，并协调表达的。不同eps基因簇中基因的系统性、转录方向和推测的功能都具有高度的保守性。根据其同源性研究，eps基因簇分为四个功能区域：中心区域，即编码EPS重复单元生物合成过程中必需的特异性糖基转移酶的基因；中心区域两侧的2个区域，它们编码了在聚合和输出过程中控制链长、输出和聚合的酶的基因；位于基因簇开头的调控基因区域。

4种不同的嗜热链球菌菌株eps基因簇。通过比较可以发现，5′端都存在编码嘌呤核苷酸磷酸化酶的deoD基因，嘌呤核苷酸磷酸化酶作用于核苷酸的合成和分解反应。5′端的epsA-epsD在不同菌株之间显示了高度的保守性：epsA、epsB是调控序列，epsC是聚合序列，epsD是跨膜运输序列，而且在不产EPS的菌株中也发现了相同的序列。第5个基因epsE编码了糖基-l-磷酸转移酶，它参与EPS合成单元中的第1步：将己糖-1-磷酸加载到脂载体上。目前已经证明至少有2种糖基转移酶是由epsE编码的，一种是半乳糖-l-磷酸转移酶(Mr=26000)，另一种是葡萄糖-1-磷酸转移酶（Mr=52000）。epsE下游的基因编码了糖基转移酶以及一些未知功能的酶，参与了EPS的聚合及输出、糖的生物合成过程。一些学者认为，eps基因簇3 ′端可以通过orf14.9来鉴定，但是，一些菌株（如Sfi6、MR-1C等）eps基因簇3′端orf14.9下游仍存在编码序列，或编码糖基转移酶或编码与跨膜转运有关的蛋白质。

目前针对LAB  EPS的合成量低的问题，很多学者都致力于利用基因工程技术，通过对EPS合成途径的基因调控，达到增加EPS产量的目的。从葡萄糖-6-磷酸转化成葡萄糖-1-磷酸，再形成UDP-葡萄糖是LAB EPS生物合成途径中的关键限制性步骤，葡萄糖-l-磷酸和UDP-葡萄糖的浓度水平决定着EPS合成量的高低。因此，可以通过过量地表达涉及限制性步骤的磷酸葡萄糖变位酶、UDP-葡萄糖焦磷酸化酶或UDP-半乳糖差向异构酶，使细胞内UDP-葡萄糖和UDP-半乳糖大量积累，从而提高胞外多糖的产量。

对于某些乳酸菌如干酪乳杆菌，UDP-半乳糖对胞外多糖的形成也具有重要的影响。但是在乳酸球菌中过量地表达UDP-葡萄糖焦磷酸化酶和葡萄糖-1-磷酸胸苷基转移酶，可以使UDP-葡萄糖、UDP-半乳糖和dTDP-鼠李糖的水平提高，但对EPS的产量影响不大。因此可以看出，不同LAB菌株细胞内激活糖的水平对EPS产量的影响是不同的。另一种提高EPS产量的方法是在生物合成过程中多糖聚合作用的水平上，通过提高参与EPS聚合作用的糖基转移酶的酶活性来实现产量的提高。如在乳酸球菌中，过量地表达起始糖基转移(primingglycosyltransferase)，可以使EPS的产量得到一定程度的提高。此外，通过克隆整个EPS基因簇，并在多拷贝数的单个质粒中过量地表达也可以调控EPS的生物合成。

在利用基因工程技术对LAB改造过程中，发现了EPS的产量及其黏度在LAB表达过程中存在不稳定的问题，这同样表现出了改造LAB菌株基因水平上的不稳定。如1株嗜热链球菌在相同的试验条件下，不同时间内EPS的产量和黏度分别在45-340mg/L和41-240mPa．s之间变动。在大多数LAB菌株中，这些显性性状是由质粒DNA编码的，而这种性状的不稳定性甚至可能是源于质粒的丢失。如所有嗜热链球菌eps基因簇都位于染色体上，这种显性性状的不稳定或者丢失可能是由于插入序列的位置位于或者接近eps基因簇，或者是一些菌株的eps基因本身就具有不稳定性。

4、EPS的发酵生产及分离纯化

（1）EPS的发酵生产

产胞外多糖的微生物来源于不同的生态环境，通常碳氮比(C/N ratio)比较高的环境适合于产多糖微生物的生长，例如，制糖、造纸和食品工业的废水中一般含有产胞外多糖的微生物。而产胞外多糖的微生物通常使用复合培养基或者化学合成培养基进行分离，在培养基上形成黏液样且肉眼可见的菌落；但Morin也指出，微生物在固体培养基上形成的菌落形态特征与其在液态培养基中产多糖的能力并无直接联系。虽然微生物多糖的发酵过程可通过观测发酵液的黏度、浓度、分散性以及多糖的构象变化来反映，但要获得高产量的微生物胞外多糖，必须对其发酵过程进行控制，即对其环境条件和生产仪器操作进行调控。一般来说，微生物胞外多糖的产量与多种培养条件有关，如碳源、氮源和无机盐的利用、温度和pH等；此外，培养条件还能影响胞外多糖的结构特性，如相对分子量、残基数、分支程度和构象等。

碳源的种类很多，如蔗糖、葡萄糖、乳糖、麦芽糖、甘露糖醇、山梨醇、乳清、糖浓缩液、甲醇以及C9～C16的-烷烃类，它们都可以用来生产微生物胞外多糖。通常情况下，碳源影响胞外多糖的产量及其分子量。比如，由果糖和葡萄糖培养基发酵产生的海藻糖的分子量分别为500000Da和276000Da。德尔布吕克乳杆（Lactobacillus delbruckii）在葡萄糖和果糖的培养基上会合成不同的多糖，当以葡萄糖为碳源时，能合成25mg/L由葡萄糖和果糖组成的多糖（比例为1：2.4）；而以果糖为碳源时，则能合成80mg/L由葡萄糖、半乳糖和鼠李糖构成的多糖（比例为1:7：0.8）。然而，Petry等人则报道，不管在何种碳源的培养基上，由Lactobacillus delbruckii合成的胞外多糖的组成都不会发生变化；此外， Degeest以及Escalante等人也得到了相似的结论，即不同的碳源不会引起胞外多糖组成的变化，而只会影响胞外多糖的产量。West和Strohfus研究了不同碳源对结冷多糖产量的影响，结果发现，许多碳源都能促进胞外多糖的产生，但菌体生长和多糖的产生并无直接联系，即较高的菌体生长并不一定得到较高的胞外多糖产量。

目前，用于胞外多糖生产的氮源主要是硫酸铵、蛋白胨、硝酸钠、尿素和酵母膏等。通常使用有机氮源会产生较高的生长速率和胞外多糖产量，很可能是由于其中含有少量的生长因子，同时，一些氮源中所含有的碳也可以作为胞外多糖合成的底物。另外，胞外多糖的产量会随着C/N比的增加而升高，据Vergas-Gareia等人报道，当培养基中的氮源浓度增加时，其生物量会增加，而胞外多糖的产量则降低，一般来说，在较低的氮源浓度的培养基G才能获得较高产量的胞外多糖。此外，添加复合氮源也有助于提高胞外多糖的产量，Gorret等人证明了向培养基中添加酵母膏能同时提高Propioni bacterium acidi -propoinici的菌体生长和胞外多糖产量。

Klebsiella 培养基中的磷酸盐含量能影响胞外多糖的产量，在不含磷酸盐的培养基中，克雷伯菌属(Kzebsiella spp.)能得到最高的胞外多糖产量；而在控制pH、无磷酸盐和乙酸盐的培养基中，最高的海藻酸盐的产量可以达到7g/L。此外，未添加Fe3+、Zn2+和NHT的培养基对保加利亚乳杆菌（Lactobacillus bulgaricus）的菌体生长和胞外多糖产量均无明显的影晌。胞外多糖的组成也不会随着无机盐浓度的变化而变化，当向培养基中单独添加Mn2+或者和柠檬酸盐、Ca2+以及SO42-一起添加，可以显著地提高于酪乳杆菌(Lactoba-cillus casei)胞外多糖的产量。

微生物最适生长温度和最适胞外多糖合成温度的不同很可能是由于参与胞外多糖前体物质合成酶的活性不同引起的，如鸟普二磷酸(GDP)甘露糖醛酸作为海藻酸合成的前体，其最大产量低于微生物的最适生长温度。此外，有学者也指出，温度的降低能引起微生物生长速率和细胞壁多聚物合成量的降低，可为胞外多糖的合成提供更多的前体物质。

通常，许多微生物都适合在中性pH的培养基中合成胞外多糖，且大多数微生物只有在恒定的pH条件下才能产生最大量的胞外多糖，因而可通过在培养过程中调节pH来控制胞外多糖合成的路径。此外，某些微生物如丙酸杆菌（Propionibacterium acidipropionzcz）的最适产胞外多糖的pH为5.2-6.5，且要向培养基中添加2%-4%的NaCl；脑膜炎球菌（Neisseria meningitidis）也在酸性pH培养基中胞外多糖产量较高。另外，在培养过程中，如果搅拌不足会造成在反应器中形成明显的pH梯度，对发酵过程的监控和发酵液pH的调节是不利的。

利用Yatsunenko等2012年发表的全球肠道数据，建立新的ANCOM-II方法；微生物组数据中的三种零分别为：极值零、结构性零和取样零，比较两个以上组别分类的平均相对丰度，同时考虑组成结构和数据中零的类型，当存在两个或以上顺序实验组时执行约束推理；采用真实数据和负二项式分布等模拟研究，相比于DESeq2等常用方法，ANCOM-II法可有效控制错误发现率（FDR）；假计数的方法非常保守，传统的t检验忽略了高FDR数据中的基本单纯结构。

微生物通常在接种后的24h内达到最大的生长速率（对数生长期），而在稳定期达到最大的胞外多糖产量。一些其他的因素，如内源性的多糖水解醇也能影响胞外多糖的特性，某些多糖如海藻酸在微生物生长的后期会被海藻酸酶( alginase)水解，从而引起发酵液黏度的降低。有学者指出，胞外多糖和细胞壁多聚物（如肽聚糖、磷壁酸和脂多糖）在生物合成过程中会竞争类异戊二烯的糖基脂质载体，因而，胞外多糖的合成和细胞膜没有必然的联系。此外，在多糖合成过程中，细胞的大小和形状会发生变化，如小核菌（sclerotium glu一canicum）和齐整小核菌（Sclerotium rotfsii）在生长过程中通常在其周围包裹一层硬葡聚糖(scleroglucan)，将会引起传质速率的降低，从而引起胞外多糖产量的降低。

渗透性在微生物生长和胞外多糖合成过程中都起着关键作用。快速生长型的根瘤菌（Rhizobium melilotii）在不同的培养基渗透压下，能产生两种不同的水溶性胞外多糖，分别为琥珀酰聚糖 (succinoglycan)和半乳葡聚糖(galactoglucan)，即当培养基中不含NaCl时，两种胞外多糖的比例为1:1，而当培养基中的NaC1浓度达到0.6mol/L时，琥珀酰聚糖的比例会达到85%。

向培养基中添加表面活性剂会显著增加胞外多糖的产量，在野油菜黄单胞菌（Xan-thomonas campestris）生长24小时后，向培养基中添加0.lg/L的TritonX-100（乙二醇辛基苯基醚)，将黄原胶的产量提高1.45倍，发酵液中未观测到明显的起泡现象。表面活性剂可以改变氧传递速率，从而增加胞外多糖的产量，而不会影响菌体产量和发酵液的黏度。此外，表面活性剂也能通过与细胞膜的相互作用，从而提高胞外多糖的合成及释放。

2．EPS的提取和分离纯化

由于胞外多糖在发酵液中的浓度相对较低而黏度较高，且发酵液中通常含有菌体和其他溶质分子（如色素、蛋白质和无机盐等），因而微生物胞外多糖的下游处理工艺主要包括以下几个方面：①发酵液的浓缩，要求工艺简单，保证微生物的稳定性，所得的多糖容易储存且溶解性好；②多糖的纯化，减少非多糖类物质以提高多糖的功能特性；③发酵液中酶的灭活。多糖中的提取、分离和纯化是研究多糖结构和活性的基础，只有得到相对纯度较高的多糖组分，才能更好地分析其结构和探究其重要的生理功能。虽然多糖的来源不同，但其提取、分离和纯化的方法是基本一致的。首先，发酵液先进行适当稀释，然后经离心或超滤将菌体除去，所得的上清液使用活性炭等除去其含有的色素分子，再用有机溶剂（如乙醇、异丙醇和四氢呋哺等）反复沉淀，再透析去除小分子杂质，从而得到多糖的粗品；粗多糖再经过离子交换柱和凝胶柱的分级纯化后得到不同组分的多糖纯品，可用于进一步的化学结构鉴定

据Lee等人报道，较高的搅拌速率能同时提高海洋细菌Hahella，如 enszs的胞外多糖产量和发酵液的黏度，Yang和Liau等人也得到了相似的结果，即较高的搅拌和通气速率有利于灵芝（Ganoderma lucidum）多糖的形成。从多糖合成的机制来看，要将胞内合成的单糖运送到细胞外必须连接C05（是五个羰基？）的类异戊二烯醇的磷酸盐，而多糖的聚合过程则主要是在细胞外通过多糖聚合酶完成的，因此，一些主要的能量代谢过程、将糖氧化成相应的醇的过程以及还原性吡啶核苷酸的氧化过程都需要氧气的参与。因而，提高氧气利用率有助于提高胞外多糖的产量。一般来说，向培养基中添加洗涤剂能改善氧气的浓度，如添加了洗涤剂的培养基中的Xabtomonas细胞比未添加的要小，而较小的细胞体积有助于提高其摄氧速率。另外，较高的通气速率也会引起某些微生物如出芽短梗霉（Aureobasidium pullulans）和腐皮镰孢（Fusarium solani）胞外多糖产量的降低。

培养基黏度的变化是微生物分泌胞外多糖的直接结果。在胞外多糖的生长过程中，发酵液表现出非牛顿流体的特性，又被称为假塑性流体，即随着剪切速率的增加，流体的表观黏度降低。此外，培养基的黏度变化也可能是因为在生物反应器中搅拌、传质、氧气及热传递不均匀引起的，在这种情况下，也会引起胞外多糖质量的改变，如分子量、分支程度和流变学性质等。一般来说，发酵液的黏度和多糖的浓度有一定的相关性，而和菌体浓度无关，因此，黏度也是衡量多糖产量的一个重要参数。

微生物胞外多糖的发酵一般可分为分批发酵和补料分批发酵过程，而微生物在其对数生长期并未同时合成胞外多糖。在分批发酵过程中，只有当培养基中一种或多种营养元素缺乏的时候才会合成胞外多糖，并且在高C/N条件下才能获得最大的胞外多糖产量。据报道，在低稀释率的连续培养过程中，假单胞菌属（Pseudomonas）、产碱菌属（Alcaligenes）和克雷伯菌属（Klebsiella）可获得高水平的多糖。一般来说，较低的稀释率能增加微生物的停滞时间，并促进其对培养基中碳源的利用；而在高稀释率下，类异戊二烯脂类的缺乏将导致多糖合成量的减少。

一般来说，胞外多糖合成的最适温度通常低于微生物的最适生长温度。较低的培养温度能引起菌体生长速率及其生物量的降低，同时将引起菌体对数生长期的延长和较高的发酵液定以及生物活性研究。

实时监测小鼠肠道深处不可利用光学显微镜追踪的细胞种群的意义重大，但很困难。Bourdeau等人发现可在细菌中表达“声学响应基因”，其编码的气囊结构能散射声波，利用超声波监测回声信号，可实时监控小鼠肠道内细菌的分布，这具有广阔应用前景，比如可用这样的技术实时监测肿瘤相关微生物分布，并可能为基于微生物的肿瘤疗法提供效果监测工具，这项技术还可以与“光声成像”等技术结合使用，实现更全面监测肠道菌群的时空动态变化。

用16S测序、宏基因组测序、定量PCR的综合方法，分析了42名转移性黑色素瘤患者的粪菌构成，患者的菌群构成和抗PD-1（程序性细胞死亡蛋白1）免疫疗法的效果之间存在显著关联，在对疗法响应较好的患者菌群中，鉴定出长双歧杆菌、产气柯林斯菌和屎肠球菌等丰度较高。 给无菌小鼠移植这些患者的粪菌，可明显改善肿瘤控制、增强T细胞应答，获得更好的抗PD-1疗效，菌群构成可影响癌症患者的抗肿瘤免疫，也可作为预测患者能否响应免疫检查点阻断疗法的生物标志物。

从哺乳动物的胚胎期开始，大脑中的巨噬细胞、小胶质细胞在大脑发育、稳态和病态中发挥关键性作用。根据转录组信号和染色质可接近性，发现小鼠大脑的小胶质细胞经历不同的分化阶段，且具有性别特异性，在无菌小鼠出生前和产后，小胶质细胞都受到损害，尤以雄性胚胎和雌性成年无菌鼠为甚，给成年非无菌小鼠施用抗生素后，小胶质细胞也以雌雄各异的方式受到影响，且长短期均有影响，人类胚胎小胶质细胞则与小鼠转录组信号明显重叠。

相关研究成果：

肿瘤免疫治疗，基于菌群的精准医疗时代来临：① 临床前动物模型中，细菌可调节化疗及免疫疗法的抗癌效果，近期研究关注人体肠道菌群对抗癌药物的影响；② PD-1单抗对于肺癌、肾癌等上皮细胞肿瘤的疗效受肠道菌群影响，抗生素显著降低患者的平均生存期，Akk菌可能改善PD-1单抗的疗效；③ PD-1单抗治疗黑色素瘤的效果与肠道菌群组成相关，柔嫩梭菌丰度较高的患者无进展生存期较长；④ PD-1单抗治疗转移性黑色素瘤的效果与肠道菌群相关，长双歧杆菌、产气柯林斯菌和屎肠球菌的丰度影响疗效。

肠道菌给力，肿瘤免疫疗法实现PFS成倍增加！：① 分析112名接受抗PD-1免疫抑制剂治疗的黑色素瘤患者的口腔和肠道菌群，缓解（R）与非缓解（NR）组的肠道菌群显著不同；② 平均无进展生存期（PFS）：R-232天，NR-188天；③ 对其中43名患者（30R，13NR），R患者的瘤胃菌科细菌的α多样性和相对丰度显著较高，肠道细菌的功能显著不同；④ 柔嫩梭菌（瘤胃菌科）丰度最高组，PFS达393天，拟杆菌丰度最高组，PFS仅188天；⑤ R患者的全身和抗肿瘤免疫均增强，且将粪菌移植到无菌小鼠也确认类似情形。

抗PD-1抑制剂+肠道Akk菌↑，肿瘤生存期上升84%！：① 分析249名患肺癌、肾癌等肿瘤并接受抗PD-1免疫抑制剂治疗的患者，69名同时接受广谱抗生素（ATB）；② ATB患者平均总生存期为8.3个月，远远低于非ATB患者的15.3个月；③ 患者体内Akkermansia muciniphila（Akk菌）的相对丰度与对免疫检查点抑制剂（ICI）的响应显著相关；④ 将对ICI响应患者的粪菌移植给无菌小鼠，可以改善PD-1抑制剂对小鼠肿瘤的效果；⑤ 将对ICI不响应患者的粪菌移

植给无菌小鼠，后者口服Akk菌后，能恢复对PD-1抑制剂的响应。

提取微生物胞外多糖之前，需要先将其同菌体分离开来。当胞外多糖以黏液的形式存在时，可通过离心将其和菌体分离。离心的转速和持续时间取决于多糖的特性及其黏度。此外也可通过超滤的手段除去发酵液中绝大多数的菌体及其碎片。如果胞外多糖是热稳定的，也可通过加热的方法将菌体除去，因为热处理不仅可以降低发酵液的黏度，也能杀死微生物细胞，并使发酵液中的酶灭活。而当胞外多糖以荚膜形式存在时，必须让多糖先和菌体分开，所选择的方法主要取决于多糖和菌体的连接属性。通过离心可使和菌体连接较弱的多糖分离开来，而和菌体连接较强的多糖则需要更为剧烈的条件，如在离心和乙醇沉淀之前使用碱处理、将发酵液在沸水或盐溶液中60℃加热15分钟或者超声波处理的方法。此外，高压蒸汽灭菌的方法也常用于荚膜多糖和菌体的分离，但会导致细胞的裂解和发酵液黏度的降低。

胞外多糖的提取通常采用有机溶剂沉淀的方法，即向发酵上清液中加入能与水混溶的有机溶剂，而有机溶剂能降低多糖在水中的溶解性，且能部分脱除多糖中所含的色素。常用的有机溶剂主要是醇类、酯类和醚类等，且沉淀不同多糖的最适有机溶剂也不同，如沉淀普鲁蓝多糖时，选择使用低亲水性的有机溶剂沉淀的效果好，如丙酮、异丙酮、四氢呋喃和二氧杂环己烷等，而若选择高亲水性的有机溶剂，如甲醇、乙醇和丙酮等，则沉淀的效果差。除了有机溶剂外，溴化十六烷基三甲铵(CTAB)也常用于酸性多糖的沉淀。

胞外多糖的分离和纯化是为了去除多糖粗提取物中非多糖组分并得到单一组分的多糖。经过有机溶剂沉淀得到的粗多糖一般含有一些游离的蛋白质、色素以及小分子物质，因而需先对粗多糖进行初步的分离纯化。对于蛋白质而言，可用蛋白质沉淀剂如三氯乙酸、蹂酸等或加热变性法除去；少量蛋白质则用sevag法或三氟／三氯乙烷法除去；若多糖与蛋白质结合形成糖蛋白，可先用蛋白酶切断蛋白链再配以Sevag法去除蛋白质。对于色素而言，可用乙醇或丙酮进行反复沉淀洗涤，除去部分醇溶性杂质；也可用阴离子交换树脂如DEAE-β纤维素等来吸附色素；若多糖与色素是结合的，可进行氧化脱色，如先用浓氨水将粗多糖溶液调至pH8.0左右，再滴加H2O2，50℃保温2小时，值得注意的是，氧化脱色法会造成多糖链的断裂；此外，应尽量避免用活性炭处理，因为活性炭会吸附多糖，造成多糖损失。对于小分子杂质而言，可以用透析或超滤法去除。按上述方法得到的就是粗多糖的半纯品。

经脱色、脱蛋白和透析等处理得到的粗多糖大多是由几种多糖所组成的，因此，需采用适当的方法对粗提物进行分离纯化，将混合多糖分离成为单一多糖。目前用于多糖分离纯化的手段主要包括：分步沉淀法、季铵盐沉淀法、盐析法、金属络合物法、柱色谱法、超滤法和电泳法等。其中，应用比较广泛的主要是超滤法和柱色谱法。

超滤法是在常规微粒过滤的基础上发展起来的细微粒子过滤技术，属于膜分离的一种，其原理是，通过使用不同孔径的超滤膜(l-lOOnm)来分离不同分子量(103-106)和形状的多糖。目前，超滤膜技术广泛应用于各类多糖的分离、浓缩、纯化等过程，具有回收率高、不易破坏多糖的生物活性和能耗低等优点，因而适合于工业化生产。

柱色谱法是一种物理的分离方法，具有分离效率高、设备简单、操作方便、条件温和、不易造成物质变性等优点，是多糖分离纯化的重要手段。由于多糖常为中性或弱酸性，因而可以根据其电荷性质及其结构特点，选取合适的柱色谱分离方法进行分级纯化，常用的柱色谱方法主要是离子交换柱色谱和凝胶柱色谱等。离子交换色谱是利用化学键合的方法，将具有交换能力的离子基团交联于固定相球形介质的表面，该离子基团可与流动相中带电粒子发生可逆性离子交换反应而进行分离。最常用于多糖分离的离子交换树脂是DEAE-纤维素、DEAE-葡聚糖和DEAE-琼脂糖等。而凝胶柱色谱是利用凝胶色谱介质交联度的不同所形成的，网状孔径的大小也不同，可根据流动相中溶质的分子量大小进行分离。最常用的凝胶柱色谱主要是葡聚糖凝胶(sphadex)、琼脂糖凝胶(spharose)、聚丙烯酸胺葡聚糖凝胶(sphacryl)等。

多糖的结构分析在多糖的研究中起着承前启后的重要作用，既是对分离纯化出来的多糖结构的鉴定，又是对多糖修饰及多糖构效关系研究的起点。多糖的糖链结构包括一级结构、二级结构和二级以上的高级结构，其中，一级结构是糖链结构的研究基础。测定糖链的一级结构，需要解决以下几个问题：①糖链中糖残基的种类、环型（即吡喃型或呋喃型）及其分子摩尔比；②糖链的分子量；③糖链中糖残基之间的连接方式；④糖链中每个糖残基的构型（即α型或β型）；⑤糖链分支点的位置、分支点上糖残基的结构；⑥糖链复合物中的糖链与非糖部分（肽链、脂质等）的结构。要进行多糖的结构分析，需要物理学方法如核磁共振、质谱、红外光谱等，化学方法如甲基化反应、部分酸水解等，生物学方法和免疫学方法等的综合运用和协同配合。

1．完全酸水解法

分析多糖中糖残基的种类以及各糖残基的比例，一般首先需要将多糖进行水解以得到单糖组分或是糖链的片段，完全酸水解法是多糖水解最常用的方法。完全酸水解是将多糖与强酸进行作用，使多糖的糖苷键完全断裂。最常用于多糖水解的酸是盐酸、硫酸和三氟乙酸。其中，硫酸主要用于水解中性糖；三氟乙酸可用于糖蛋白及糖胺聚糖的水解；盐酸则用于糖蛋白和含氨基脱氧糖的多糖水解。水解的难易程度与组成多糖的单糖性质、单糖环的形状和糖苷键的构型有关。一般呋喃型糖苷键较吡喃型糖苷键易水解，α型较β型易水解，而含糖醛酸或氨基糖的多糖较难水解。经水解得到的单糖可通过薄层层析（TLC）、液相色谱法（ HPLC）气相色谱法（GC）（需先经过衍生化处理）进行定性和定量分析，从而得到多糖的单糖组成及其摩尔比例。

2．部分酸水解法

部分酸水解是选择温和的条件（即稀酸、适当的温度和时间）水解多糖，使糖链中某种类型的键特异性地打断，从而保持其他键的完整性。通常利用多糖链中的部分糖苷键如呋喃型糖苷键、位于链末端的糖苷键和位于支链上的糖苷键易水解脱落，而糖链的主链部分对酸水解相对稳定的特点，对多糖常采用部分酸水解处理，再经醇析、离心从而将上清液和沉淀分开（多糖部分酸水解之后的醇析产物主要是多糖主链的重复性结构片段，而上清液中则是位于糖GC端和支链上的糖链片段）。最后，再分别对上清液和沉淀进行上述的完全酸水解处理及Gc等分析，可得到多糖主链及其支链的单糖组成及其摩尔比。

3. 甲基化分析法

甲基化分析法是确定糖链中糖基间的连接位置最常用的方法。该法首先将多糖链完全甲基化，使所有的游离羟基转变为甲氧基。多糖的甲基化方法较多，有Purdie法、Hamorth法、Menzies法、Hakomori法等。而最常用的是改良的Hakomori法，即先将样品溶于无水二甲亚砜(DMSO)中，然后与甲基亚磺酰甲基钠（SMSM）或氢氧化钠反应，使多糖上的游离羟基离子化，多糖成为阴离子后，易与CH31反应生成甲基化多糖，甲基化反应的关键在于甲基化完全，通常采用红外光谱法来检测3500cm-1处有无吸收来判断甲基化多糖中是否含有游离-OH，完全甲基化的糖链可用甲酸水解，即先用90%的甲酸水解，然后用0.05 mol／L的H2S04或三氟乙酸水解，生成不同的甲基化单糖（对于含呋喃环的多糖，水解条件应减弱），再将甲基化单糖还原成部分甲基化戊糖醇，最后产物经乙酰化，进行气质联用分析，通过气相色谱的出峰顺序和对质谱图的主要离子碎片的分析便可以较准确地确定单糖的组成、构型、相对含量以及各单糖残基的连接方式。

将多糖的游离羟基甲基化要求无水强碱性环境和甲基供体。由于多糖的羟基是弱的亲核试剂，需要较强的碱性条件才能使羟基的质子解离，形成亲核能力较强的烷氧基离子以利于甲基化反应的进行。Purdie等首次使用氧化银和碘甲烷进行甲基化反应。之后，Haworth改用氧化银、氢氧化钠和(CH3)2 SO4作为甲基化反应体系。Haworth法被沿用了近五十年，直到发现无水体系更有利于甲基化反应后，Hakomori对Haworth法进行了改进，用甲基亚磺酰甲基钠(Sodium methylsulfinymethanide, SMSM)为强碱，碘甲烷作为甲基供体。由于制备SMSM的步骤复杂，操作烦琐，Ciucanu用NaOH粉末代替了SMSM，使实验操作趋于简单化。

甲基化分析步骤比较复杂，除了严格要求化学试剂的纯度外，操作条件必须严格控制，特别是干燥无水、氮气的保护以及温度的控制是甲基化反应的关键。

4．高碘酸氧化法和Smith降解

高碘酸可以选择性地氧化断裂糖分子，断裂糖分子中的连二羟基或连三羟基会与高碘酸反应，生成相应的多糖醛和甲酸，反应定量地进行。C-C键开裂数与高碘酸分子消耗比例为1:1，通过测定高碘酸的消耗量和甲酸的生成量，可以判断糖苷键的位置、连接方式、支链状况和聚合度等结构信息。以葡聚糖为例，以1->2或1->4键合的葡萄糖基经高碘酸氧化后，糖基分子与高碘酸消耗比为1:1，无甲酸生成；而1->6键合的葡萄糖基与高碘酸消耗比为1:2，生成一分子甲酸；以1->3键合的糖基不被高碘酸氧化。高碘酸的氧化反应必须在控制的条件下进行（溶液pH值控制在3-5，且应避光和低温），以避免副反应的产生（超氧化反应）。Smith降解是将高碘酸氧化产物还原后进行酸水解或部分水解。由于糖基之间以不同的方式连接，经高碘酸氧化后会生成不同的产物，对降解产物进行分析可得到糖基间连接方式的信息。

5．质谱法

质谱分析是确定糖链残基顺序最有效的方法。在了解单糖组成之后，可根据质谱的裂解规律和碎片组成来推测多糖链中糖残基的连接顺序。20世纪50年代，因糖的难挥发性和热不稳定性，限制了电子轰击质谱(EI-MS)对多糖的研究。而近年发展的各种质谱技术，如电喷雾电离质谱(ESI-MS)、快速原子轰击质谱(FAB-MS)和基质辅助激光解吸离子化飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)等在糖的序列分析和结构鉴定研究中正越来越起着重要的作用。其中，ESI-MS技术灵敏度高，无需衍生化就能区分N-糖肽键型和O-糖肽键型，且能精确测定糖蛋白的分子量及其中寡糖的序列，FAB-MS可测MALDI-TOF-MS的多糖分子量，同时，它还可确定糖链中糖残基的连接位点和序列；而MALDI—TOF—MS可直接分析聚合度达40的多糖。

6．红外光谱法

红外光谱也是研究多糖结构的重要手段，可确定多糖的糖苷键构型（α型和β型）、糖环的形式（吡喃环和呋喃环）、有无取代基及其种类。如通过891cm±7cm-1处有无吸收峰来判别β-糖苷键的存在，844cm±8cm-1处有无吸收峰来判别α-糖苷键的存在；吡喃1在1100-lOlOcm-l间应有三个强吸收峰，而呋喃糖在相应区域只出现两个峰；8lOcm-1，870cm-1是甘露糖的吸收峰；当糖链中含有取代基团时，磷酸基在1300-1250cm-1处有P=0伸缩振动峰，磺酸基在1240cm-1处有s=0伸缩振动峰，850-820cm-1处有C-O-S伸缩振动，酯在1740cm-1、羧酸离子在1700cm-l  、1414cm-1，酯胺在1650cm-l 、1550cm-1附近有振动吸收。

红外图谱的解析，需要掌握以下关于糖类的官能团知识。

①O-H, N-H和C-H

糖类存在着分子间和分子内氢键，O-H的伸缩振动在3600-3200cm-1出现一种宽峰。一般来说，没有氢键的二级O-H的吸收峰在3630cm-1附近，分子内的氢键在3560cm-1附近，分子间的氢键在3400cm-1以下。

N-H也在这个区域有伸缩振动，往往与O-H难以区分。在有氢键的情况下，N-H的吸收峰要稍低于O-H的波数，可以此加以区别。C-H的吸收峰比较弱，而且出现在更低的区域3000-2800cm-l，在这区域的两组吸收峰是糖类的特征吸收峰。在1400-1200cm-1所看到的不太尖的吸收峰是C-H的变角振动。   1200-lOOOcm-1间比较大的吸收峰是由两种C-O伸缩振动所引起的，其中一种是属于C-O-H的，另一种是糖环的C-O-C。

① C-O基

各种糖的乙酰酯均有1775-1735cm-1的吸收峰，各种糖的水化物都有1665-1635cm-1的吸收峰，非水化物则无此吸收峰。在此需要说明的是，多糖中乙酰氨基（-NHCOCH3）的C=O伸缩振动在1648cm-1附近出现。乙酰氨基的确定，对于像甲壳素(chitin)这样的多糖来说，红外光谱是有用的。需要指出的是，糖的种类不同，如N-乙酰氨基葡萄糖和N-乙酰氨基半乳糖，虽然均是在C2上有一个CH3CONH，但吸收峰的位置有些不同。衍生化对乙酰氨基的吸收峰的位置也有影响，一般是移向高波数。

② C-O-C基

除了吡喃糖基的糖苷键及吡喃环的醚键有特征吸收峰外，有O-H发生烷基取代形成的各种C-O-C键不能加以区别。

④氨基

一级和二级氨基的N-H变角振动出现在1650-1590cm-l,D-葡萄糖胺的162lcm-1以及160lcm-1强吸收峰就是这种N-H的变角振动。

7．核磁共振法

核磁共振法(NMR)是20世纪70年代才引入到多糖结构的研究中，开始并不是获得多糖结构信息最有力的工具，但随着NMR技术的发展和高磁场NMR仪器的出现，所得到的NMR谱的质量越来越高，使原来在低磁场上NMR不能分辨的信号得以分开，从而获得更多的信息。尤其是在20世纪80年代发展起来的二维(2D)NMR技术可使多糖的1H和13cNMR谱得到归属，使确定多糖的结构成为可能。

由于绝大多数多糖都可以溶于水和二甲亚砜(DMSO)，因而常用氘代水(D2 0)和氘代二甲亚砜(DMSO-D6)作为多糖NMR分析的溶剂。对于多糖分子而言，由于不同糖残基中非异头质子的亚甲基和次甲基的化学位移非常靠近，其lH NMR谱峰严重重叠，大部分质子共振峰出现在(3.0-4.0)×10-6的非常小的区域内，给解析带来困难。相比之下，多糖的13 c NMR谱有较大的化学位移范围，通常位于(60-120)Xl0-6的范围内，且谱线很少重叠，因而分辨率高。此外，2D NMR也是分析多糖技术的重要手段，其可分析多糖的组成、构象及糖苷键的连接方式等。其中，关联2D NMR是目前使用最广泛也是最简单的2D NMR技术，主要是同核位移相关谱和异核位移相关谱，同核位移相关谱主要包括化学位移相关谱(1 H，1 H COSY)、双量子滤波化学位移相关谱(DQF-COSY)、全相关谱(TOCSY)和COSY-45；而异核位移相关谱主要包括异核多量子相干(HMQC)、异核单量子相干(HSQC)；异核多键相关(HMBC)。此外，核欧沃豪斯增强谱(NOESY)和旋转坐标欧沃豪斯增强谱(ROESY)也是确定多糖结构和构象的重要方法。

通过1D和2D NMR技术，主要可得到以下的多糖结构信息。①糖残基：多糖的异头碳的13 c NMR谱的化学位移一般位于(90-110) X10-6的范围内，因而可根据这一范围内峰的个数来确定糖残基的数目，还可根据峰的相对高度来估算糖残基的相对比例；而多糖的异头氢的化学位移则位于(4.4-5.5)×l0-6的范围内，可通过1H、C-COSY. HMQC和HSQC进行归属。②单糖组成：多糖l H中的重叠峰（H2. H3. H4. H5和H6）可通过 DQF-COSY.TOESY和COSY-45进行归属；而13c谱中的C2. C3. C4. C5和C6可通过C-COSY. HMQC和HSQC迸行归属。③糖苷键的连接方式及其连接顺序：一个单糖残基的异头氢与相连的单糖残基上的碳原子的相互作用可通过HMBC和NOESY进行分析，从而可得到糖苷键的连接方式和连接顺序。④异头构型：与α型异头碳相比，β型异头碳在。c谱中常位于低场；一般来说，|3型异头碳在13 c谱中的化学位移在(103-105)×l0-6的范围内，而α型异头碳则位于(97-101)×l0-6的范围内；此外，偶联常数(couplingconstant)，，如邻偶联常数(3，)、l3C和1H的偶联常数（1J CH和t，CH）也可用于鉴别糖的异头构型，例如，对于1—4连接的多糖而言，α型异头碳和|3型异头碳的，，Cl-HI值分别为170Hz和160Hz。⑤1H基团的位置：当多糖中的羟基被其他基团如甲基、乙酰基、硫酸基和磷酸基取代时，其相连羟基碳的化学位移会向低场移动。

六、EPS的理化性质

1．EPS的黏着性

Buchanan和Hammer用正常稠度的牛奶到其发酵产品的黏性物质可以用拉长丝的变化来描述奶制品的黏着性，他们把这一变化归因于发酵过程中乳酸菌产生的胞外多糖。黏着性是多糖生成的重要特性，表现在奶制品的黏度增加和黏滑或高脂肪的口感。通常，乳酸菌在发酵过程中产生的胞外多糖增加了奶制品的黏性，但是胞外多糖的规整性和弹性等参数对高蛋白含量的奶制品的性质影响更大。胞外多糖和蛋白质之间的相互作用情况对奶制品的质构性能影响很大。婴儿双歧杆菌和嗜热链球菌产的胞外多糖是聚电解质，而德氏乳杆菌产的胞外多糖是中性糖。瑞士乳杆菌发酵32-60小时后产生的胞外多糖可拉成直径为11.3-21.Omm的丝线，这说明了瑞士乳杆菌强健的活力。瑞士乳杆菌的胞外多糖的分子量可高达26.5×106，其最高产糖量可达0.73g/L，发酵时间为60小时。

在37℃和培养基的pH为5时，将黏性瑞士乳杆菌发酵0-84小时，其产的胞外多糖的分子量在(3-26500)×103之间变化，而同样条件下，非黏性瑞士乳杆菌和嗜热链球菌产的胞外多糖的分子量在(3-395)×103之间变化。将一个黏性菌株发酵培养12-60小时，体系中成黏性的丝的直径从11.3mm增大到21.0mm；将发酵培养的时间延长到72—84h，体系中成黏性的丝的直径减小了5.6-6mm；同时，其产的胞外多糖的分子量降低了2.7×106，这可能是随着发酵时间的进一步延长，体系内此黏性菌产的胞外多糖发生了酶降解。

2．EPS的流变性

乳酸菌胞外多糖的流变性能对其总体特征有重要的影响，而它们的分子特征又可显著地影响其流变性能，因此，在被批准作为食品添加剂之前，它们的分子特征需要被详细地了解。将EPS的结构研究和流变学研究信息结合起来可以揭示出不同胞外多糖分子之间显著的差异，它们的流变学性能主要取决于其固有的物理化学性能，如其分子量及分子量多分散度、单糖组成和分支度等。EPS表现出显著的增稠和剪切变稀特性以及高的固有黏度。一些产黏的乳酸菌、双歧杆菌和它们产的生物高分子有非常令人感兴趣的功能特性和工艺特性。因此，它们在烘焙产品中有着广泛的应用。

EPS的理化性质取决于它们的分子量、单糖组成、一级结构和它们与牛奶中的离子和蛋白质的相互作用。因此，一个纯化的EPS的流变性能可能与其在一个发酵产品中的流变性能有所不同。由于在发酵过程中整个体系中有胶体形成和EPS的生物合成，因此，发酵产物是一个高度交联的凝胶体系。聚合物的流变性可以从两个方面来表征：黏性和弹性。黏性是指一个聚合物抵抗外力而不发生形变的能力。发酵奶制品的黏性特征可以用黏滑性和流动性来描述。聚合物的弹性是指其在外力作用下发生形变，当外力撤消后能恢复原来大小和形状的性质。EPS的这些黏弹性特征促使发酵奶制品呈现结构紧实、胶体样的特征。一个发酵乳制品的黏弹性对其感官质量、是否具有吸引人的外观和宜人的口感非常重要。

黏度也是EPS溶液的一个重要的特征。EPS具有的乳化特性和黏度是其在极端pH、温度和盐度等条件下应用时所需的理想特征。EPS溶液的黏度取决于其化学结构和性质，如单糖组成、分子链的刚性、分支度和分子链中的侧链基团等。EPS溶液的固有黏度和表观黏度被研究得最多。固有黏度是多糖的一个重要的特征，可以以此将其从发酵液中分离出来。一个分子链规整的高分子量的多糖通常表现出高的固有黏度。两株不同的嗜热链球菌可以产生产量相当且化学组成和结构相似的EPS，但是这两种EPS的分子量不同。研究发现，这两个EPS对酸奶的黏度有不同的影响，这就是由它们的分子量不同而导致的固有黏度不同而引起的。因此，产不同EPS的乳酸菌菌株增强酸奶黏度的程度各不相同。表观黏度和EPS生成这两者之间的直接关系还没有测定，表观黏度是在25℃的条件下测定的，其单位是mPa．s。均方回转半径用来表征多糖键的分子尺寸大小。乳酸乳球菌NIZO B891产的分子量是2.4×106的胞外多糖的均方回转半径小于乳酸乳球菌NIZO B40 (90)产的分子量是1.4×106的胞外多糖的均方回转半径。乳酸乳球菌NIZO B40的EPS的主链是由β-1，4糖苷键连接的糖残基组成的，分子链规整，因而容积大；而乳酸乳球菌NIZO B891的EPS的主链是由α-l，6和β—1，6糖苷键连接的糖残基组成的，分子链有一定的柔顺性，因此，其均方回转半径较小。

嗜热链球菌产的EPS的分子链是无规卷曲的线团，而不是有序的规整的刚性链，乳酸乳球菌乳脂亚种的EPS也是由无规卷曲的线团组成的。这些分子链呈无规卷曲态的EPS没有固定不变的形状，它们具有不确定的波动的三级结构。这种类型的EPS溶液的黏度与其浓度和均方回转半径相关。

上古医药寻根

中国是人类文明的发祥地之一。考古研究表明，中国大地的古人类分布广泛，其中西侯度遗址是中国最早的上古人类文化遗址。

西侯度文化遗址位于黄河中游左岸，高出洞面约170米的古老阶地上。年代距今180万年。西侯度遗址的文化遗物和动物化石集中分布在约1米厚的交错砂层中。而砂层则在更早的沙砾层内。文化遗物共发现石制品32件，包括石核、石片及加工的石器，石器原料主要为石英岩，少数为脉石英和火山岩。石器采用锤击、砸击和碰砧三种方法制作而成，说明当时的石器工艺达到一定的水平。上古文化诞生于其中，与文化遗产共存的动物化石有鲤、鳖、鸵鸟及其它22种哺乳动物。其中有一个头盖骨，化验表明，它们是被烧过的，由此可知西侯度是上古人类活动的遗址，是上古文化最早的发源地之一。

韩非子·五蠹篇曰：上古之世，人民少而禽兽众，人民不胜禽兽虫蛇。有圣人作，构木为巢，以避群害，而民悦之，使王天下，号之曰有巢氏。民食瓜果蚌蛤，腥臊恶臭，而伤腹胃，民多疾病。有圣人作，钻燧取火，以化腥臊，而民悦之，使王天下，号以曰燧人氏……上古之世，有疾病，有医疗，有文化，还有医学。

我苦读《周易》《山海经》《道德经》《黄帝内经》等描述上古文化的经书，足迹踏遍国内各少数民族衍生之地，遍访各地搜寻无文字记载、只有传说的民族文化，寻医问药，再加上自己的亲身经历，经中医学、中药学、西药学、药理学的研究熏陶，揭开上古之人如何防治疾病。结合现在科学技术，加以研究，从而创造“上古医药”学科，与中医学西医学并行于世界大地。

众所周知，中医学开创了《黄帝内经》时代，历时有3000多年，哺育了中华民族的成长。但是它也有明显的弱点，如没有微生物的概念，也无法客观的解释高血压、高血糖、高血脂等现代疾病，只有主观判断，导致有些患者病入膏肓而无法救治。许多疾病无症状难判断，一时除之，而拖累未知。

现代西医学的病症也显而易见，缺乏整体观点。头痛医头，脚痛医脚，许多疾病手术治疗时，没有考虑器官割除后对人体的伤害，人作为一个有机整体，缺一不可。现代医学随着科技发展越来越精细，学科割裂却越发严重，无法整体研究疾病的来龙去脉和产生原理。

上古医药则立足于中西医药学的基础之上，挖掘上古之人防病治病思想。通过独特的思路，解析现代疾病的产生、发展与防治，为人类健康做贡献。

《山海经》里记载：“凡首阳山之首，自首山至于丙山，凡九山，二百六十七里。其神状 皆龙身而人面。其祠之：毛用一雄鸡瘗，糈用五种之糈。堵山，冢也，其祠之：少牢具, 羞祠，婴毛一璧。魄山，帝也，其祠羞酒，太牢具；合巫祝二人舞，婴一璧。”其中记载上古人类已可利用微生物发酵谷物酿酒，巫祝则指能用舞蹈和鬼神沟通的人，现在可以看作是心理方法，更有记载许多本草水石治疗各种疾病的记载。

《道德经》是一部关于修道的书，书中言：“一生二、二生三、三生万物，万物负阴而抱阳，冲气以为和……”提出阴阳学说，并指出气功导引修行也用于疗病，“专气致柔，能如婴儿乎。”

司马迁说老子修道强，《史记·老子韩非子列传》中记载：“盖老子百有六十余岁，或言二百余岁，以其修道而养寿也。”吕祖《百字铭》开篇第一句言“养气忘言守”。降心养气是修炼之要领，炼精化气、炼气化神、炼神还虚，以致虚元合道，就像那初生的婴儿一样，保持先天元灵真性。心无所杂，自自然然，无欲无求，气脉平和，血脉和畅，神经意回。让形体与魂魄保持高度合一，才能获得真正健康，就是说肉体、精神与灵魂三方面保持一致的健康。上古医药认为气功导引修行也可治病疗病，尤其对现代工作精神紧张压力大的亚健康人群有益处。现代研究认为气功导引修行直接影响体内微生物生长，保持菌群平衡确有益处。

医学无国界，上古医药关于人体菌群平衡并利用微生物来疗病治病的思想，是古代中华大智慧与现代医疗科技结合的结晶，全世界与医学相关的有识之士必将受其启发。不仅有助于防治禽流感、艾滋病、肝炎等病毒性疾病，而且对原发的癌症也有防治作用。癌症与病毒相关被证实，如宫颈癌、肝癌、前列腺癌等等。随着科技的发展，相信在这不久的将来将证实微生物就是导致癌症的元凶。

相关研究成果：

一文读懂非酒精性脂肪性肝炎（综述）：① 非酒精性脂肪性肝炎（NASH）与超重和肥胖及代谢综合征密切相关，850万人的调查显示，80%的NASH患者超重或肥胖，72%血脂异常，44%诊断为2型糖尿病；② 肝细胞损伤和死亡是NASH鉴别诊断的关键，肝细胞损伤诱导应激应答；③ PNPLA3和TM6SF2多态性等遗传学因素以及肠道共生菌改变等环境因素，促进NASH和相关肝损伤的发生；④ 准确的诊断包括肝损伤的程度、纤维化的水平，治疗针对代谢应激、炎症和纤维化三个环节，目前正在进行多项临床研究。

血液胆碱与L-肉毒碱降得越多，节食减肥或越成功：① 510名超重及肥胖个体随机分为4组，每组的主要营养素摄入不同；② 胆碱及L-肉毒碱显著降低，而非氧化三甲胺（TMAO）显著降低的个体，6个月后的体重及腰围显著降低；③ 胆碱的减少可显著预测体脂组成、体脂分布、静息能量消耗的减少；④ 胆碱及L-肉毒碱的早期变化可显著预测超过2年后的减重情况，胆碱或L-肉毒碱增加的个体，在2年后减重失败的比例显著增加；⑤ 糖尿病状态不影响胆碱/肉毒碱与减重的相关性。

肠道等上皮组织中的γδ T细胞（必读综述）：① 表皮及肠道的上皮组织中，存在大量的上皮内γδ T细胞，其对上皮组织的完整性、修复、宿主稳态、抑制病原体感染有着重要作用；② 树突状表皮γδ T细胞（DETC）存在与表皮中，在角质细胞损伤的情况下，DETC被活化，从树突状形态变为圆形，并释放胰岛素样生长因子I（IGF1）、角质细胞生长因子（KGF）及KGF2；③ 肠道γδ上皮内淋巴细胞（IEL）分泌KGF，诱导肠道上皮细胞增殖，并增加屏障完整性，在组织损伤后通过分泌TGFβ1促进上皮修复。

GPR55如何增加肠道通透性：① 小肠中的肠道上皮内淋巴细胞（IEL）与上皮细胞密切相关，GPR55在其中起负向调节作用；② GPR55可抑制溶血磷脂酰肌醇（LPI）诱导的IEL迁移，负向调节TCRγδ IEL在小肠中的积累；③ 活体成像研究揭示，GPR55缺陷型IEL的迁移速度更快，且与上皮细胞的结合更为紧密；④ GPR55可负向调节T细胞向小肠的归巢，以及γδ T细胞从派尔集合淋巴结的迁出；⑤ GPR55缺陷或短效GPR55拮抗剂处理，可在非甾体类抗炎药引起的肠道通透性增加中起保护作用。

微生物是世界上种类和数量最多的群体，在人类身体上也广泛分布，平常人的肠道有2-3公斤微生物。人类基因组揭示，10%是人类细胞的基因，而微生物确占90%。最新的研究也报道，流行性感冒病毒的发生与发展，与人类口腔菌群也密切相关。

相关研究成果：

对特殊或极端环境下微生物多样性的研究不断刷新我们对微生物多样性的认识；最近一项对海豚牙龈菌群的研究中，作者在门水平上鉴定得到了两个新的微生物类群，Candidatus Fertabacteria和Candidatus Delphibacteria；前者属于CPR（Candidate Phyla Radiation）类中的一员，后者则属于FCB（Fibrobacteres–Chlorobi–Bacteroidetes）总门的一员； 宏基因组的方法为研究取得成功提供了有力保障。

微生物主要是指肉眼难以看见的所有微小生物。包括细菌、真菌、病毒和少数藻类等。它们个体微小，是地球上最早最古老的生物。种类繁多，数量最多，与人们的日常生产和生活密切相关。上古时期，人类就利用微生物制曲制酒，甚至腌渍食品。微生物与食品、医药等领域密切相关。对人类来说，不少微生物是有益的。如常用抗菌药物青霉素、链霉素等就是来自于微生物的产物。除了制酒，日常馒头、酸奶、面包、腊肠和泡菜等都是利用微生物来生产的。当然也有一些微生物是有害的，如黄曲霉素。常发生在霉变的花生和玉米上，进入人体达一定剂量后会致癌。

相关研究成果：

用稀疏逆协方差估计推断生态关联(SPIEC-EASI)方法，分析已发表的涵盖细菌和真菌菌群构成的肺和皮肤的微生物组数据;对每个微生物组推断出3个关联网络，相较于单届的细菌网络和真菌网络，细菌真菌的跨界网络具有更高的连通性、稳定性，且有相似的拓扑重组模式;基于跨界网络，挑选有关联的三种微生物在体外进行共培养实验；真菌在微生态网络架构中起稳定作用，结合计算机算法和体外共培养实验，有助于研究作为整体的微生物群落

2011年，MetaHIT团队提出“肠型”概念，将肠道菌群分为B、P和F三类；这有潜在研究和临床价值，但争议不小，不同人根据不同试验、算法和分析方法，认为菌群应分为2种、4种肠型甚至是连续不可分型;为统一认识和指导实践，29位世界主流菌群科学家联合提出新的肠型分类器及公开比对数据库，新方案充分利用和验证HMP等数据库，综合考虑菌群功能、生态学及临床需求，能更好指示出疾病和健康状态的菌群类型，共识仍存局限，但意义重大。

解读和预测各种菌群调节手段的效果时，需要引入生态学理论和概念，为开发更有效、更有针对性的菌群调节类治疗手段提供助力;使用益生菌、粪菌移植法均应被视为外源微生物“入侵”，“入侵”过程包括引种、定植、持续生长和影响环境四个阶段，是引种微生物、宿主环境以及原始菌群间互相作用的复杂过程。 需综合考虑微生物-宿主共进化特征、引种微生物的多样性、引种时间、肠道菌群的生态位、原始菌群状态以及噬菌体等因素。

肠道菌群即人体肠道的正常微生物，其中超过99%都是细菌。这些微生物群落特别的丰富且多样化，并且对宿主的发育、营养吸收和免疫功能都有促进作用。已知饮食会改变肠道菌群的组成，这意味着饮食治疗可能会缓解微生物组成改变而导致的疾病。

相关研究成果：

240条健康虹鳟鱼分为4组，分别在饲料中添加0.1%、1.5%、2%的大蒜提取物，持续120天；相比于对照组，补充了大蒜的虹鳟鱼的体重增加及生长速率显著升高；对肠黏膜菌群进行分析发现，对照组虹鳟鱼中丰度最高的是Deefgea菌属及气单胞菌属；饲料中大蒜含量为1%及1.5%的虹鳟鱼中，肠道菌群丰度最高的是Deefgea菌属及支原体属；饲料中大蒜含量为2%的虹鳟鱼中，肠道菌群丰度最高的是气单胞菌属。

利用两栖动物的致死性真菌病原体——蛙壶菌，研究益生菌丰度、益生菌组合中各益生菌的遗传距离是否影响益生菌对蛙壶菌的抑制能力；单一益生菌难以抑制蛙壶菌的多个分离株，不同细菌属之间在抑制蛙壶菌的多个分离株的模式上无系统性模式； 多种益生菌的组合可有效地抑制蛙壶菌，且相比于仅包含单个菌属的组合，包含多个菌属的益生菌组合抑制蛙壶菌的能力更强；但益生菌组合对蛙壶菌不同分离株的抑制能力不同。

研究小组分别使用野生鱼类（棘鱼和河鲈）、人工养殖棘鱼、实验室小鼠和人类的数据。在每一个例子中，饮食对于雄性和雄性肠道菌群的影响都是不一样的。任何试图通过改变肠道菌群治疗胃肠道疾病的医学手段，也应该考虑到患者的性别差异。低（0.8%）植物饲料添加饲养的真骨鱼，在细菌感染后可幸存下来；而高植物饲料添加可增加寄生虫感染水平，降低生长状况和肠道菌群多样性，诱导发光细菌属占优势菌，改变肠道黏膜蛋白质组成并影响肠道功能；在高植物饲料中添加0.4%丁酸钠，可略微降低真骨鱼细菌感染后的累积死亡率，避免寄生虫寄生后的生长迟缓现象，肠道菌群多样性和产丁酸菌增加，并逆转植物饲料引起的肠道蛋白质组成的变化；结果可为鱼类饲料添加方案提供参考。

通过小白鼠实验发现，有着人类肠道菌群的小白鼠如果饮食中没有膳食纤维，肠道中的微生物多样性会显著下降，时间一长，一些菌群会被活活“饿死”，从而引起其它的疾病。如果连续四代都是这样，即使再喂食含膳食纤维的食物，小白鼠依旧无法恢复肠道内健康的菌群。

以农业为主生活的人，体内菌群多样性远远多于生活现实生活的人，现代生活饮食上膳食的缺乏，被认为是造成这种差异的一种可能。

Carlson等报道，1岁时菌群组成部分决定认知：1岁时菌群多样性增加与2岁时认知功能降低相关；多样性增加可能带来不良后果，低多样性的菌群有利于婴儿，但对成年人则可能相反；细菌可产生神经递质，可能间接通过小肠神经系统而影响大脑功能；细胞因子介导免疫信号，可进入血液从而影响血脑屏障缺陷的部位如下丘脑；从细菌到脑的信号传导机制复杂，推测包括神经、内分泌、免疫和代谢通路，精确的性质和相对的重要性，有待进一步研究。

碳水化合物也存在于这种膳食纤维中，也是肠道微生物的主要能量来源。研究人员通过给小白鼠体内种植了人类肠道的菌种，来确定减少碳水化合物对它们的影响。

人类肠道的菌群真的会影响我们的心情吗？

人类肠道中的细菌，能依赖一种大脑化学物质存活。这种细菌消耗掉的γ-氨基丁酸（GABA）分子，对大脑保持稳定状态至关重要，而细菌吞噬它这一惊人事实，或许能帮助我们理解，为什么肠道微生物群的变化会影响到心情.

GABA通过抑制神经细胞信号来抑制大脑活动，而异常低水平GABA与抑郁症和情绪障碍相关，因此，这一发现让科学家将肠道细菌与大脑活动兴奋程度相关联。新发现增加了肠道细菌影响大脑的最新证据。

2011年曾经开展的一项实验,被称为鼠李糖乳杆菌的肠道细菌,明显改变小鼠大脑的GABA活性,还影响了小鼠对外界的反应能力。在这项最新的研究中,研究人员发现,通过手术切断连接肠道到大脑的迷走神经后,这种改变和影响竟然消失了.

Knoop等人发现，小鼠断奶前（出生后10到20天）是建立对肠道共生菌免疫耐受的关键期；在此期间，结肠内的杯状细胞（GC）形成“杯状细胞相关抗原通道”（GAP），使细菌抗原从肠腔传递到固有层，以诱导生成调节性T细胞，产生长期免疫耐受；之前母乳中富含的EGF和之后的结肠细菌剧增，分别经EGF受体和MYD88在GC中激活MAPK，抑制GAP形成；小鼠幼年期GAP缺失，或延长GAP存在至断奶后，均增加其后的结肠炎易感性。该发现可解释卫生假说。

无菌小鼠及SPF小鼠分为4组，其中2组接受慢性束缚应激（CRS）处理，相同的CRS条件处理下，相比于SPF小鼠，无菌小鼠的焦虑样行为较轻，且下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴中的CRH、ACTH、CORT及ALD水平较高，Nr3c2 mRNA水平下降；无菌小鼠的激素及激素受体也与SPF小鼠存在显著差异；肠道菌群造成的HPA轴失衡可能影响脑中的神经内分泌系统，造成焦虑样行为。

膀胱过度活动症（OAB）是一种复杂病因的常见疾病，常伴有精神疾病；分析30名OAB女性患者和25名对照的尿液菌群多样性与心理评分之间的相关性； 与对照组相比，OAB组的菌群多样性和丰富度都较低； OAB和对照组的菌群显著不同，OAB组的7个菌属（如变形杆菌属和气球菌属）增加，13个菌属（如乳杆菌属和普氏菌属）减少；OAB组尿液菌群的丰富度和多样性与抑郁量表自评分负相关，一些菌属在有/无焦虑或抑郁的OAB妇女中无显著差异。

目前研究人员正在寻找能够吃掉或者产生GABA的其他肠道细菌,并打算测试他们对动物大脑和行为产生的影响.这项工作或许为治疗抑郁、焦虑等情绪疾病带来新的方法。

研究细菌特有功能的新发现

发现抗辐射菌的自我保护功能

2007年3月，有关媒体报道，美国国防部军队卫生服务大学的研究小组表示，他们发现抗辐射菌在高剂量电离辐射（IR）环境中保护自己的功能功能。该发现有望帮助科学家开发出保护人们免遭辐射影响的新方法。

50年前，科学家就发现了抗辐射菌，并认为它的抗辐射功能在于它自身的DNA修复机理，此后绝大数有关该细菌的研究均基于这种假设。然而，美国的研究人员发现，该细菌的DNA修复成分，并没有明显的不同之处，同时在辐射剂量设定后，具有不同抗辐射功能的细菌的DNA修复量相同。此外，许多被电离辐射杀灭的细菌，实际上其DNA几乎没有受到损伤。

早在2004年的研究中，该研究小组就发现，抗辐射细菌的细胞与辐射敏感细菌的细胞，所含金属元素量完全不同。细胞含锰量超高，同时含铁量超低，它在遭受辐射后的恢复能力也很强。他们指出，抗辐射功能最强的细菌，含锰量是辐射敏感细菌锰含量的300倍，而含铁量则少3倍。

研究人员对金属元素含量不同导致的抗辐射功能差别，进行新的研究后，认为胞质锰的高含量和低含量，能够保护蛋白(而不是DNA)免遭电离辐射引起的氧化损伤。

这项研究可能导致科学家对抗辐射菌的研究方向发生转变，将注意力从DNA损失和修复，转向有效的蛋白保护形式。根据这项新研究开发出的人体辐射保护方式，将有望最终帮助医生根据每个病人的体质，决定其进行放疗时所接受的辐射剂量，并为保护癌症患者免受放疗副作用影响开辟新途径。

2. 首次在细菌中发现核糖核酸修复功能

2009年10月，美国伊利诺伊大学香槟分校生物化学系教授黄雷文及其同事，分别在《科学》和美国《国家科学院学报》上发表相关论文称，他们首次在细菌中发现一项新功能：核糖核酸（RNA）修复系统。这是迄今为止发现的第二个RNA修复系统，第一个为噬菌体（可攻击细菌的一种病毒）中的带有2个蛋白的RNA修复系统。

相关研究成果：

在细菌基因组中鉴定前噬菌体的工具（综述）：① 在鉴定细菌基因组中的前噬菌体时，PHAST及其后续版本PHASTER是2个应用最广泛的网络服务器；② PHAST利用BLASTP方法以匹配已知的噬菌体序列，可上传预先注释或无注释的FASTA格式数据，基于基因功能检测前噬菌体；③ PHASTER于2016年发布，相比于PHAST，处理速度更快、数据库大小增加、用户界面更加现代、图形显示器得到改善、支持宏基因组数据提交；④ PHASTER的下一版本将于不久后发布（命名为PHASTEST）。

大西洋海水菌群的溶质转运蛋白：① 收集大西洋中100-5000米深的水样，进行宏蛋白组及宏基因组分析；② 在较浅处的透光层中，溶质转运蛋白占鉴定出的蛋白序列的23%，在深海区，这一比例约为39%，提示深海中异养的核心作用；③ 通过菌群表达的转运蛋白，对深海区菌群的底物偏好进行分析，发现除了氨基酸外，多肽、碳水化合物、羧酸、相容性溶质均可能是菌群群落的必需底物；④ α-变形杆菌纲、γ变形菌纲、δ-变形菌纲的溶质转运蛋白表达量最高。

这次发现的细菌RNA修复系统的新颖之处在于，在受损的RNA封闭前，一个甲基会附着在该RNA受损点的两个主要羟基之上，使得受损点无法继续开裂，从而达到修复的效果。这一发现，对于保护细胞免遭核酸毒素的侵袭具有重要意义。该毒素能使蛋白质转译涉及的重要RNA发生开裂，从而导致细胞的死亡。

细菌的基因组测序能够检测到溶原性噬菌体的序列，但裂解性噬菌体的基因组信息却少有研究；首次报道了能够特异性裂解瘤胃中三种菌属（拟杆菌属、瘤胃球菌属、链球菌属）的噬菌体（属于有尾噬菌体目中的长尾噬菌体科和短尾噬菌体科）全基因组序列；噬菌体基因组中展现出模块化组织，鉴定出保守的病毒基因，可用于进一步分类；鉴定出宿主细菌基因组中与噬菌体抗性有关的基因序列，包括CRISPR/Cas元件以及限制性修饰系统。

噬菌体疗法在过去饱受争议，但可能是对抗抗生素耐药性的有效方法；尽管世界卫生组织最优先发展新的抗致命病原体抗菌疗法，且噬菌体疗法已在特定案例中大获成功，其短期内仍无法运用于临床治疗；噬菌体疗法具备广泛的来源及对抗抗生素耐药性机制，但噬菌体是否会传播耐药基因尚有争议，且细菌也可能通过CRISPR/Cas系统等对噬菌体产生耐药性；科学家、医药公司、政策制定人及相应机构应携手面对挑战、推动噬菌体的药用之路。

由于新发现的RNA修复系统中，对甲基负责的酶是细菌中的酶，是细菌中的Henl的同系物，因此该发现对理解RNA干涉以及动物、植物和其他真核生物的基因表达同样具有相当重要的意义。

他们在《科学》杂志上发表的论文，主要描述RNA修复过程的全部机理。而在美国《国家科学院学报》上发表的论文，则着重解析甲基化反应的化学机理，尤其是细菌中的Henl内起主导作用的转甲基酶的晶体结构。由于真核态的Henl能产生同样的化学反应，研究应进一步侧重于理解真核生物中的RNA干涉。

发现一种细菌具有主导生命多样性的功能

研究表明，细菌与古菌、真核生物相比，具有巨大的多样性。研究人员说，生物分类的三域系统，分别指细菌域、古菌域和真核域。“域”现在已是一个古老的概念，但这三个域都是“生命之树”最初的三个分支，而“生命之树”也成为生物学中最重要的组织原则之一 。不过，由于其巨大的分支数，展示相对完整的“生命之树”一直难以实现。虽然对“生命之树”的描绘历来注重囊括所有动物和人类的真核域生物，但是近些年来，对于先前未检测环境进行的基因采样和新的测序方法，明显地改变了人们对于生命多样性的认识。

研究小组分析了公共数据库的基因组，以及1011个最新从一系列环境中重建的基因组，后者使用了一种不需要依赖在实验室中生长或者培养微生物的基因组方法。更新的“生命之树”是计算机耗时6000多个小时组建的，提供了每一个分支中多样性的简介。

研究人员发现，多样性最高的分支是“候选门辐射群”（CandidatePhylaRadiation），这是一组从来没有被培养成功的细菌，而其特有的功能使其组成了现今生命中最主要的多样性。这些细菌的多样性可能是由于它们出现的很早且演化得十分迅速。研究人员认为，这项新研究结果在强调“生命之树”中，可能对未来演化分析十分重要的分支的同时，也指出其主要分支代表性的不足。

细菌生存状况研究的新进展

研究人体细菌分布状况的新成果

发现女性手上细菌种类多于男性

2008年11月3日，美国科罗拉多大学博尔德分校生态学和生物进化学部助教诺厄.菲勒、罗布.奈特等人组成的一个研究小组在美国《国家科学院学报》网络版上发表研究报告称，他们发现，与男性相比，女性手上的细菌种类更多，而且每个人手上的细菌种类超出预期的想象。

研究小组通过从51名被研究者手上提取样本，运用聚合酶链式反应技术，放大细胞脱氧核糖核酸（DNA），同时使用焦磷酸测序技术给基因物质排序。

研究人员从102只手上，检测出分属4742类的33.2万个细菌。平均每名学生手上携带分属150种的3200个细菌。但是，在每个手上都能发现的细菌只有5种。

不仅个体之间手上细菌会有所差别，同一个人的左右手细菌种类也有只有17%相同。对此，奈特说，让我们感到惊奇的不仅是个体间的差异，还有同一个体俩只手之间的差异。菲勒对发现的细菌种类和数目也感到惊讶。他说让我们吃惊的结果之一，是发现女性手上的细菌的种类多于男性。

研究人员表示，目前，尚无法确认女性手上细菌种类比男性多的原因，但猜测与皮肤的酸碱度有关系。酸性环境不利于微生物多样性。奈特说，通常男性皮肤酸性高于女性。此外，差异可能与汗水和油脂腺分泌、涂抹保湿霜或化妆品、皮肤厚度以及荷尔蒙分泌量有关。研究人员发现，在皮肤表层下无法清洗的部分，女性携带的细菌更多。

当问及男性是否会因此在与女孩握手时犹豫，奈特答道，我认为，每个女孩情况都不同……人身上大部分细菌都没有危害，也没有益处……病原菌只是其中很小一部分。

尽管研究人员强调日常勤洗手的重要性，但他们在研究报道中指出，洗手无法彻底消灭细菌。吸收后细菌群体能迅速恢复，而洗手无法清除皮肤表面大部分菌群。虽然女性通常洗手次数多于男性，但还是女性手上细菌种类更多。研究人员随后挑选8个人在洗手后跟进测试，结果发现洗手后细菌群体需要时间恢复，但一些细菌喜欢干净的手。

至于左右手上细菌的差异，菲勒猜测可能与外部环境有关。例如任意一只手碰到了油性、含盐分或者潮湿的环境表面。

考虑到不同国家居民有不同的用手习惯，研究人员希望在其他国家开展同类实验。菲勒说，今后或许可以通过检测物品上的细菌，确认谁摸过这一物品。

人体不同部位的皮肤细菌受生理影响，皮脂部位主要由亲脂性的丙酸杆菌属物种占据，潮湿环境主要是链球菌属及棒状杆菌属；生理环境对皮肤真菌的影响较小，马拉色菌属在躯干、四肢及双足的皮肤中占主要部分； 不同个体的皮肤病毒并不保守，默克尔细胞多瘤病毒（MCV）可引起皮肤癌；角质细胞通过PRR感知PAMP，触发先天性免疫反应，介导皮肤菌群、上皮细胞、免疫系统之间的互作；免疫系统对皮肤菌群的耐受性由出生后的Treg介导。

携带NLRP3炎性小体突变的Cryopyrin相关周期性综合征（CAPS）患者的皮肤、关节和眼睛中有自身免疫性炎症，但肠道中没有； 携带Nlrp3 R258W突变的CAPS模型小鼠的肠道维持内稳态，而且对实验性结肠炎和结直肠癌具有很强的抗性；Nlrp3 R258W突变通过重塑肠道菌群，诱导增加调节性T细胞（Treg）以提高抗炎能力， Nlrp3 R258W突变仅在固有层单核吞噬细胞中直接增强IL-1β（而非IL-18）的分泌，进而增加局部抗菌肽促进菌群的重建。

杜氏利什曼虫可通过白蛉叮咬传播并造成内脏利什曼病，叮咬处的中性粒细胞对杜氏利什曼虫起保护作用；白蛉的肠道菌群可随杜氏利什曼虫被排泄至宿主皮肤，排泄出的菌群触发炎性小体，导致IL-1β的快速生成，从而维持中性粒细胞浸润；对杜氏利什曼虫感染的白蛉进行抗生素处理以减少中肠菌群，或在小鼠被叮咬处中和IL-1β的效应，可抑制中性粒细胞的招募；白蛉等节肢动物体内共生有丰富菌群，它们或在虫媒传播疾病中起到“帮凶”作用。

视神经脊髓炎（NMO）是一种罕见的中枢神经系统炎症性脱髓鞘病，与靶向星形胶质细胞上表达的水通道蛋白-4（AQP4）的抗体相关；NMO患者的肠道菌群组成与健康人及多发性硬化患者均存在差异；产气荚膜梭菌在NMO患者中显著富集，且与NMO高度相关； AQP4特异性T细胞识别的表位与产气荚膜梭菌中表达的一种蛋白具有一段同源多肽序列；提示产气荚膜梭菌可能在肠道中调节Treg与Th17细胞的平衡，并在NMO发病中起重要作用。

CTLA-4抗体等通过减弱免疫耐受以治疗癌症的疗法可能触发严重的自身免疫反应； 在标准结肠炎小鼠模型中，CTLA-4抗体可造成更严重的结肠炎；先用抗生素（万古霉素）处理后再使用CTLA-4抗体，可造成更加严重的结肠炎症状，致死率更高，提示革兰氏阳性菌可能起到缓解结肠炎的作用；双歧杆菌可极大地抑制CTLA-4抗体造成的炎症表型及组织病理，减少小鼠的体重降低，并且不会显著影响CTLA-4的抗癌作用；双歧杆菌的抑制炎症作用依赖于Treg。

国际多发性硬化菌群研究（iMSMS）初步表明多发性硬化（MS）受肠道菌群影响；通过对比MS患者与健康家庭成员/双胞胎的粪便菌群，鉴定出与MS特异相关的细菌类别（如Akk菌和乙酸钙不动杆菌在MS患者中增加）；在模型小鼠中的研究也支持肠道菌群在MS中的作用；未来研究需扩大人体样本规模以确定导致MS的细菌，且需明确促使致病菌过度生长的因素及其作用机制；粪菌移植和益生菌干预或可用于治疗MS，但仍需更多研究以确保安全性和有效性。

肠内分泌细胞在肠道上皮中占比为1%左右，可在检测到营养物质后释放肽类激素以介导消化；肠内分泌细胞分泌的肽类激素包括：胃饥饿素、瘦素、胃动素、促胰液素等，功能包括调节胃酸、食欲、胰岛素、生长激素、胃肠动力等；另外，肠内分泌细胞是肠道菌群代谢产物的关键感受器，可识别病原体相关分子模式（PAMP）并释放细胞因子及肽类激素，直接影响肠道屏障功能；或可通过GLP-1等肽类激素调节肠道免疫细胞的活化。

实验组为100名晚期动脉粥样硬化患者，对照组为22名是没有外周动脉疾病或中风或心肌梗塞史的年龄、性别相当的参与者；两者血浆代谢物浓度显著不同； 动脉粥样硬化程度与菌群来源的代谢物吲哚、色氨酸、吲哚-3-丙酸和吲哚-3-醛浓度呈负相关，与犬尿氨酸 /色氨酸呈正相关，该比值还与心脏并发症相关，色氨酸和吲哚-3-丙酸浓度与踝臂指数相关；菌群衍生的代谢物可作为晚期动脉粥样硬化患者的生物标志物。

胃肠炭疽是炭疽杆菌感染后最常见的疾病；在胃肠道炭疽杆菌感染的小鼠模型中，评估可调节感染性及感染进展的关键宿主及病原体因素；使用碳酸氢钠中和胃酸后，可增加炭疽杆菌对小鼠的感染性及致死性；小鼠在炭疽杆菌感染之前喂食或禁食，不会显著影响感染率及致死率； 炭疽杆菌的致死因子对于致死性感染是必需的，而水肿因子调节感染的进展及散播。

肠道类器官有仅包括上皮细胞和同时包含间充质两种；仅包括上皮细胞的肠道类器官可通过小鼠或人体的Lgr5+干细胞或分离出的肠道隐窝产生，耗时较短，需要特异性生态位因子，有区域特异性，可表现出所有的上皮细胞类型；包含间充质的肠道类器官可通过诱导多能干细胞（iPSC）产生，耗时较长，无区域特异性，且相对不成熟；肠道类器官可用于进行代谢研究，缺点为缺乏肠道神经系统、血管系统、淋巴系统及功能性适应性/先天性免疫系统。

NLRP6是肠道上皮中表达的一种受体，通过调节肠道菌群在肠道损伤及结肠炎相关癌变中起保护作用；然而上述结论来自于在非同窝小鼠中进行的实验；在同窝的Nlrp6-/-及野生型小鼠中，分析肠道中3个位点的菌群组成；在稳态下，NLRP6不影响肠道菌群组成，且菌群群落结构受到性别影响；野生型及Nlrp6-/-小鼠对DSS诱导的结肠炎具有相似的敏感性，KO雌鼠的易感性增加。

分析环境因素在适应性免疫缺陷小鼠（Rag2-/-）和Nlrp6缺陷小鼠（一种参与调节菌群组成的免疫传感器）中对菌群形成的影响；在常规饲养的Nlrp6-/-小鼠中，家族性传播对菌群组成有显著影响；SPF条件下，野生型、Nlrp6-/-和Rag2-/-小鼠有相似的菌群；宿主免疫对菌群的影响可通过引入病原体来检测，基因型、环境因素和生态因素共同影响菌群定植；Nlrp6以及适应性免疫对菌群组成的影响依赖于群落结构，且主要影响病原体而非共生菌群。

野生红松鼠有典型的啮齿动物肠道菌群特征，菌群结构的时间、空间分布规律受环境因素的影响大于宿主因素；肠道菌群呈现地域性特点，符合其在固定区域独居的习性；菌群结构的变化具有季节性规律，受食物结构季节性变化的影响显著，颤螺菌属和Coprococcus的丰度随季节此消彼长；环境因素对肠道菌群的影响，比宿主自身因素（年龄/性别）更显著；肠道菌群有个体差异，受母体效应（早期接触）的影响较明显，但受基因影响并不显著。

绘制成功人体细菌分布图

2009年11月，美国科罗拉多大学博尔德分校的一个研究小组，在《科学特快》杂志发表研究报告称，他们成功绘制出人体细菌群落分布图，为临床医学研究提供重要帮助。

研究小组对9名健康志愿者身上27个部位的细菌群落，进行长达3个月的深入观察分析。在3个月内，研究人员分别对每名志愿者做了4次细菌采样，采样工作一般在志愿者洗澡1-2小时后进行。

运用最新电脑技术及基因序列，研究人员绘制出了人体不同部位细菌分布的概况和轮廓。结果显示，不仅人与人之间菌落分布有别，同一个体不同部位菌群分布也不相同。此外，人体同一部位在不同时间菌群分布也有变化。

尽管如此，菌群分布还是呈现一定模式。人体腋窝及脚底菌群分布变化不大，研究人员推测可能是这俩处潮湿避光环境所致。头部几个部位，如额头、鼻孔、耳朵及头发等部位主要由一种特殊类型的细菌占主导，躯体和四肢则由另一种不同菌群“霸占”。口腔菌群分布变化最小。

研究细菌生存场所的新发现

发现塑料垃圾成为海洋细菌的避风港

2014年3月，在2014年的海洋科学会议上，与会者都是专门研究“塑料垃圾”问题的专家。这些垃圾是指漂浮在海洋中的上百万吨的合成碎屑。美国马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所微生物学家雷西.明瑟说：“这是有人类创造的新的生物的栖息地”

有研究显示，超过1000种海洋中的细菌和其他微生物，能够在塑料碎片中生存，而这些碎片通常还不及人类的指甲大。明瑟说：“在中心海域，细菌等微生物一直在寻找一块‘容身之处’，且有一些栖息地要明显优于其他选择。”根据一项初步的遗传分析结果，孤菌类是其中的佼佼者，且大部分的孤菌能够发光。

实际情况也正是如此，在研究者夜间拖网打捞上来的塑料垃圾中，40%是发光的。此外，明瑟认为，这种发光的垃圾对于鱼类，尤其是依靠光线觅食的鱼类吸引力极大。塑料垃圾对于鱼类来说就是魔鬼，而对细菌等微生物来说确是天使——能使它们“逃离鱼口”。明瑟说：“微生物的基因能使其以塑料垃圾为家，鱼类再想吞噬它们必须‘三思而行’”

首次发现以健康胎盘为生存场所的细菌

2014年5月22日，美国得克萨斯州休斯敦市贝勒医学院产科医师凯悦斯娣.埃格德和她的合作者组成的一个研究小组，在《科学.转化医学》杂志上发表研究成果称，一直被认为处于无菌环境中的人类孕妇胎盘，其实是一个细菌菌落的家，就像科学家在人体口腔中发现的细菌群落一样。这些微生物通常是非病原性的，但根据科学家的此项研究，其构成的变化可能是一些人们知之甚少的妊娠疾病的共同根源，例如早产，大约每10名孕妇便会诞下一名早产儿。

细菌群落被细菌间复杂的相互作用所塑造，展现出的群落固有特性无法根据群落中每种细菌在孤立环境中的属性加以预测；群落固有特性不仅影响菌群中细菌的基因表达和表现型，也影响菌群的构成和整体功能，可对宿主产生影响：比如多物种生物被膜的形成可促进其中所有菌种生长，或增强对抗生素的抗性； 结构化环境可辅助并稳定细菌间的相互作用，增加群落固有特性的复杂度；研究群落固有特性对临床、应用和环境微生物学都具有重要意义。

细菌群落是细菌、病毒与真菌等的总称。2012年，该研究小组发现，孕妇阴道中最丰富的细菌，与那些没有怀孕女性阴道中的细菌并不相同，但却无法普遍代表新生儿在其降生后第一周所排粪便中最常见的细菌。

相关研究成果：

分娩期间，阴道菌群多样性上升：① 收集256名女性在孕期第36周及分娩时的阴道拭子，分析菌群组成；② 个体的阴道菌群随时间变化表现得较为稳定，某些细菌科为混合群落状态类型（CST）IV的特征，在分娩时增加；③ 在孕期第36周至分娩期间，阴道菌群的α-多样性趋向于增加；④ 在大多数女性中，阴道菌群CST在研究期间保持不变，一些女性的CST发生变化，约一半转换为CST IV；⑤ CST IV与阴道疾病、早产及婴儿出生体重无显著关联，益生菌补充不影响阴道菌群。

为了搞清这些微生物从何而来，研究人员决定对胎盘进行研究。

孕期头三月的阴道菌群，可预示早产风险：① 近期研究显示，阴道菌群组成与早产/足月产有相关性，对阴道菌群数据库进行meta分析，研究阴道菌群对早产风险的影响；② 结果显示，在早产孕妇及足月生产的孕妇之间，孕期头三个月的阴道菌群多样性具有显著差异，足月产孕妇的阴道菌群多样性更高，提示这项指标可能用于预测早产风险；③ 介绍了一种新的菌群多样性度量标准，相比于已有的度量标准有着更好的诊断能力；④ 这项新度量标准可在早期以高精确度预测早产风险。

在这项新的研究中，研究人员采集了320名刚刚分娩的产妇的胎盘组织样本，并从这些组织中提取了脱氧核糖核酸（DNA），同时对其进行了测序。他们发现，胎盘中大约有300种微生物存在，不过水平较低，其中大多数微生物都发挥着重要的作用，例如为发育中的胎儿代谢维生素。

宏基因组又称元基因组或生态基因组，是指与人类共生的全部微生物的基因的总和。研究人员依次采用的鸟枪测序法，先把整个基因组打乱，切成随机片段，然后测定每个小片段的序列，最后，利用计算机对这些切片进行排序和组装，并确定它们在基因组中的正确位置。

研究人员同时注意到，孕妇的体重，或是她们的生产方式（剖宫产或者顺产），似乎并不会改变其胎盘的微生物构成。但埃格德指出，细菌群落“在那些发生早产或更早前曾被感染的孕妇胎盘中却是不同的，例如一次尿路感染，即便这种感染在几个月或几周前得到治疗并治愈也是如此。”

此外，早产胎儿与足月胎儿的胎盘，微生物群落组成存在明显不同的，说明胎盘微生物群落与早产之间可能存在关联。

研究人员同时把孕妇胎盘菌群与在没有怀孕的女性阴道、肠道、口腔和皮肤上发现的菌群进行了比较。研究还表明，胎盘中数量最多的肠道中常见的、不致病的大肠杆菌，两种口腔菌坦纳氏普雷沃氏菌与奈瑟菌，数量也相对较多。总体而言，他们发现，胎盘菌群与口腔菌群最为类似。推测，微生物向胎盘的旅行，是通过流经口腔的血液完成的。埃格德表示，这一研究结果强化了暗示孕妇口腔牙周病与早产风险之间存在关联的数据。她说，这表明女性怀孕期间保持口腔健康的重要性，“强化了一个长期以来的观点：牙周疾病与早产风险存在的关系”。并未参与此项研究的得克萨斯大学医学部产科医师乔治.萨阿德认为：“这是首次有研究表明，即便是在正常的孕期中，也有特定的细菌群落与正常的胎盘形成有关。”

美国国立儿童健康与人类发育研究所产期研究与产科学项目主任罗伯托.罗梅罗指出，研究小组发现的细菌，可能来自于母血而非生存在胎盘中的细菌群落的一部分。然而，并未参与该项研究的波特兰市俄勒市俄勒冈健康与科学大学产科医师安东尼奥.弗里亚斯认为，研究人员“基本算是在使潜在污染最小化的前提下采集了样本。”

研究人员还发现，早产孕妇胎盘的微生物群落组成，不同于足月产孕妇的胎盘。但埃格德表示，目前还不清楚是否是这种差异造成的早产。研究小组如今正在研究女性的细菌群落如何在怀孕期间发生的变化。其目的在于确定那些面临早产风险的女性，以及开发出防止早产或处理新生儿并发症的方法，或许通过饮食上的变化从而提高孕妇胎盘、阴道或口腔及肠道中健康微生物的数量。

细菌开发利用方面的新发展

合成或改造细菌的新成果

开发出首个可用的人造细菌菌株

2011年9月18日，《自然.化学生物学》杂志发表加利福尼亚州萨克生物研究所的一项成果：通过把非天然的人造氨基酸，整合入蛋白质，成功制造出新的人造细菌菌株。这项技术可广泛应用于药物研发、药物合成、生物燃料等领域。

专家指出，用人工合成法制造的细菌，在药物研发领域拥有巨大的潜力。据此研究出的药物拥有的生物学功能，将远远超过只包含天然氨基酸的蛋白质。这些分子或许也能作为基础元件，制造从工业溶剂到生物燃料在内的任何产品，帮助解决与石油生产和运输有关的经济和环境问题。

设计并人工合成最少基因的细菌

2016年3月25日，由基因组测序先驱克雷格.文特尔率领的研究团队在《科学》杂志发表研究报告称，他们设计并制造出一种在自由生物体中具有最小基因组，以及最少基因的细菌，却依然具有自我复制能力。

这种被称为Syn3.0的新有机体的基因组，仅留下了生存和繁殖所必需的473个基因。相比之下，人类的基因数量超过2万个。哈佛大学合成生物学家乔治.丘奇表示：“这是一项杰作”。科学家认为，这是生命科学领域的突破性进展，将有助于推进对生命奥秘的认知。

微生物流线型的遗产结构，激起了进化生物学家和生物技术专家的兴趣，他们预期一个接一个地添加基因，便能够研究这些基因的作用。麻省理工学院合成生物学家克里斯.沃伊特表示：“这是创建一个基因组被完整定义的活体细胞的重要步骤。”但是沃伊特和其他科学家指出，目前距离完整定义依然还很遥远，这是因为Syn3.0有149个基因——大约为1/3——依然不知其功能如何。研究人员的首要任务，是探索这些基因在生物体中扮演的角色，从而有望为关于生命的基本生物学带来新的认识。

就像Syn3.0的名称所暗示的，它并非文特尔制造的首个合成生物体。文特尔说：“我们的研究表明，生命是如此的复杂，即便是最简单的有机体也是如此。”文特尔表示，要回答生命的基础问题，唯一方法是获得最简单的基因组；而要达到这个目的，唯一方法可能是人工合成基因组。因此他们从1995年开始努力，其间仅因为参与首个人类基因组测序工作而短暂中断。

2010年，文特尔的研究团队报告说，他们合成了丝状支原体的单独染色体（被称为Syn1.0）,并将其移植到另一种山羊支原体中。经过几次失败的尝试，研究人员最终发现，这种合成的微生物，能够正常生成蛋白质。

在当前的工作中，文特尔与克莱德.哈起森等人，通过剥离Syn1.0携带的不必要的基因，从而尝试确定生命所需的最小基因集合。研究人员分成两个团队，每个团队都有一个相同的任务——利用所有可用的基因组知识，设计一种具有假定最小基因组的细菌染色体。随后两者被合成并移植到山羊支原体中，从而看看是否会生成一个有活力的生物体。

文特尔说：“最大的新闻是我们失败了。我很惊讶，我们当时的生物学知识尚不足以设计并构建一个活的有机体。”于是，研究人员在首个合成细胞的基础上，不断尝试删除其基因组中不必要的基因，最终把Syn 1.0中的901个基因删除掉约一半，只剩下473个基因，即Syn3.0。文特尔表示，Syn3.0的基因组还可进一步简化，删掉一些与维持生命无关的基因，但这些基因影响生长速度，删除后细胞数量增长极其缓慢，无法用于实验目的。

这项工作带来的启发，文特尔说，一个启发就是认识生命要从整个基因组角度综合来看，而不是独立的基因。“生命更像一个交响乐团，而不是短笛演奏家”。这一理论同样适用于人类基因组，因为他们发现人类多数疾病症状受整个基因组突变的影响，而不是单个基因。

这项研究成果，有望应用在各个领域，包括生物化学、营养学、农业以及生产新药品与生物能源等。文特尔说“我认为，这是一个新时代的开始。我们还不能说，这就是最终的最小基因组。”但截至目前，Syn 3.0绝对是这个世界上新的轻量级冠军。

NIH及美国农业部用于营养学研究的经费过少，相关主要支持来自于食品工业；食品工业资助可能给营养学研究带来偏差，存在得出的结论与实际结果不符的情况； 其它可能的问题包括：推广有害的产品、误导性的营销手段、针对儿童或其它敏感的群体、企业游说、攻击科学界及科学家；食品企业间存在较大异质性，一些企业的利润依赖于小部分的不健康食品，比较关注短期利益； 政府应通过联合企业、学术界、非营利组织，尽量保证学术的独立性。

重新设计大肠杆菌遗传密码获得成功

2016年8月19日，美国哈弗医学院合成生物学家乔治.丘奇率领的一个研究团队，在《科学》杂志上发表论文称，他们成功改变了大肠杆菌细胞内3.8%的碱基对，使之具有不同的功能。有关专家指出，重新设计细菌微生物基因组，具有深远意义。

据科学美国人网站报道，研究人员用能产生相同蛋白质的同义密码子(组成各种氨基酸的三联核苷酸序列）。替代了原来大肠杆菌64个遗传密码中的7个，合成了55个基因片段（每段由5万个碱基对组成），重新编码了大肠杆菌的基因组。经测试证明，大肠杆菌基本基因91%的功能被保留，并具有一定的适应性。但还未能将这些片段组成一个正常运作的大肠杆菌。丘奇说：“这证明了从根本上重新设计细菌是可行的。”

以往研究表明，对大肠杆菌中的单个氨基酸重新编码是可行的，因此能给他们加入一些自然界没有的氨基酸，使其拥有更强的抗病菌能力；还可以让他们只能用合成氨基酸来培养，逸出实验室就无法生存。

研究人员指出，这一研究成果向设计新的生物属性迈出重要的一步，同时也可看作是人类基因组编写计划的雏形。该计划旨在合成完整的人类基因组。

耶鲁大学纽海文分校合成生物学家法伦.艾萨克没有参与这项计划，得知这项成果后评论说：“把密码子从64个减少到57个，与自然界的大肠杆菌已有了很大的不同，这证明通过重编基因组，从生物中提取出全新的功能和属性是可行的”。

丘奇实验室研究人员马克.拉乔伊说：“这项研究的规模前所未有。这是迄今为止造出的最大合成基因组，也是功能上改变最大的。”

目前，该研究团队正努力把他们重新编码的大肠杆菌片段拼起来，成为一套连续的基因组，然后测试这个重新构建的生物是否有生命。丘奇说，这要花多长时间还不清楚，但据实验室成员估计，可能要4个月到4年的时间。

发现有利于环境保护的细菌

发现有望用来开发绿色能源氢气的细菌

2010年12月，美国华盛顿大学研究人员希马德里.帕克莱希等人组成的研究小组在《自然·通讯》杂志上发表文章称，他们发现一种细菌，可在有氧气存在的自然条件下生产氢气，有望用来开发较廉价的绿色能源氢气。这种名为“蓝藻菌51142”的细菌，在白天和夜晚的生理活动不同,在白天有光线的时候，它可以进行光合作用，生成氧气和糖分,到了夜晚，它会燃烧白天生成的糖分来提供能量，这个过程会耗尽细胞内的氧气，使得固氮酶可以安心工作，在有氧环境中也可以生产氢气。

通常情况下，固氮酶只要和氧气接触就会被破坏。因此，此前发现的一些可生产氢气的微生物，都需要在无氧环境中工作，使得产氢成本增高。研究人员帕克莱希说，他们正计划对这种细菌进行基因改造，进一步提高产氢量。

培育出能够清楚汞污染的细菌

2011年8月，有关媒体报道，美国波多黎各泛美大学的一个研究小组，用转基因手段对一些细菌进行改造，使它们含有能生成金属硫化物和多磷酸盐激酶的基因。实验显示，这些细菌能够抵抗高浓度汞，即使汞浓度高达使普通细菌致死的24倍，它们仍能存活。

此外，这些细菌还能吸收环境中的汞，将其转移到自己内部。实验显示，在高浓度汞溶液中，它们可以在5天内从溶液中清楚80%的汞。

研究人员指出，这些转基因细菌不仅可用于清除环境中的汞污染，而且在细菌内部逐渐聚集大量汞之后，也有利于回收这些汞，供工业生产循环使用。

3. 发现地杆菌具有治理铀污染的能力

2011年9月，美国密歇根州立大学的一个研究小组在美国《国家科学院学报》上发表论文称，一种叫作地杆菌的细菌，具有治理铀污染的巨大潜力。

以往的研究表明，有些地杆菌能够通过向金属添加电子，用还原周围环境里的金属，来获取能量。溶解在水里的铀，经过这样的还原之后，会变得难以溶解，从而缩小污染范围，并且容易被清楚掉。

美国研究小组对此继续深入研究，发现地杆菌外面长着的细长丝状物-菌毛，它们是由蛋白质组成的，能够导电，正是这些菌毛在铀污染生物治理中发挥关键作用。研究人员做过以下实验：以硫还原地杆菌为对象，培育出因缺乏某种基因而不能产生菌毛的菌株。把它们与能正常产生菌毛的菌株进行比较。结果显示，菌毛能大大增强细菌清除铀污染的能力。

实验发现，如果没有菌毛，铀的还原反应是在细菌内部进行，会伤害到细菌自身。而在有菌毛时，大部分反应围绕着菌毛完成，不仅扩大了反应过程中可用于电子传输的空间，还拉远了铀与细菌的距离，提高细菌的安全性。

研究人员用一种荧光染料，测量了地杆菌细胞的呼吸酶，在接触铀之后的活性。结果显示，有菌毛的细菌呼吸酶活性更高，因而生存能力更强。有菌毛的菌株在接触铀之后，还能恢复过来，并且比没有菌毛的菌株生长的更快。

专家认为，这种方法理论上也适用于治理其他一些金属元素的放射性同位素，包括锝、钚和钴等。因此，该成果不仅可用于治理以往核试验造成的铀污染，还有可能帮助应对类似日本核电站事故。

利用细菌推进能源开发

用大豆根部固氮细菌把一氧化氮变成燃料丙烷。

2010年8月，美国加州大学欧文分校马库斯.里贝等专家组成的一个研究小组，在《科学》杂志上发表论文表示，一种存在于大豆根部的固氮细菌所产生的酶，可能有望成为实现新型空气动力汽车梦想的关键。这种酶名为钒固氮酶，它可以把常见的工业副产品一氧化氮（CO）转化为燃料丙烷。

研究人员表示，目前，该研究还处于早期阶段。不过，他们同时表示，这项研究可能会带来全新、环保的燃料生产方式，最终从稀薄的空气中提取汽油。里贝说，这种微生物是一种非常常见的土壤细菌，我们对其已有深入了解，并且实施了长期的研究。他还说，虽然我们仍在研究钒固氮酶，但我们知道这种酶具有不同寻常的特性。

科学家研究的这种微生物，名叫棕色固氮菌。是一种对环境很重要的细菌，它通常存在于像大豆等固氮植物根部周围的土壤中。

农场主之所以对含有棕色固氮菌的植物情有独钟，是因为这种细菌可充分利用多种酶，把大气中毫无用途的氮气变成重要的氨和其他化合物。接下来，其他植物吸收这些化合物，利用它们生长。里贝在研究中与合作者将一种氮—钒固氮酶—分离出来，用以把氮变成氨。接着，他们从钒固氮酶中分离出氮和氧，并用一氧化碳填补剩余空间。

如果没有氮和氧，钒固氮酶开始把一氧化碳变成两到三个原子长的短碳链。一个三碳链通常被称为丙烷。丙烷是一种点燃后形成蓝色火焰的气体，是常见的火炉中使用的燃料。

里贝说，很显然，如果我们可以制造出更长的碳碳链，这项发现最终会令我们开发出合成液态燃料。新酶只能形成两到三个碳链，而不是构成液态汽油的更长链。不过，里贝认为，可以对钒固氮酶做出改动，令其可以生成汽油。如果这项技术得到进一步完善，最终或能令汽车以自身排放的尾气当做部分燃料。而经过更长时间的研究，汽车甚至还能从空气中“吸收”二氧化碳作为供其运行的燃料，而目前已经拥有把二氧化碳变为一氧化碳的技术。

利用细菌研制生物医用产品

试用转基因细菌合成青蒿素

2006年4月，有关媒体报道，青蒿素是目前最有效的抗疟疾药物，美国加利福尼亚大学伯克利分校的一个研究小组成功地用转基因酵母，合成了青蒿素的前体物质——青蒿酸，有望大幅度增加青蒿素产量、降低治疗疟疾的费用。

研究人员说，他们的新研究成果，有望把青蒿素药物价格大大降低。该研究小组曾经把青蒿的一个基因植入大肠杆菌。利用细菌的生物合成过程，获得一些中间物质。但这些物质还需要几步反应，才能生成青蒿酸。在最新的研究中，研究人员在青蒿里发现了一种与青蒿酸合成有关的新酶。把制造这种酶的基因植入酿酒酵母后，酵母制造出了青蒿酸。这项新成果，有望为大幅降低青蒿素生产成本开辟道路，但付诸实际应用至少还需要几年时间。

利用转基因光合细菌产生单糖和乳酸

2010年7月，美国哈佛大学维斯生物启迪工程研究所杰弗.维、哈佛医学院帕梅拉.瑟尔沃领导的一个研究小组，在《应用和环境生物》杂志上发表论文表示，光合细菌（PSB）进行基因工程改造后能够产生单糖和乳酸。

光合细菌是一种能进行光合作用而不产氧的特殊生理类群原核生物的总称，是一种典型的水圈微生物，广泛分布于海洋或淡水环境中。光合细菌作为一种特殊营养和特殊细菌，已在畜牧、水产、环保、农业上进行了应用试验。

利用缺氧/有氧生物被膜系统，通过耦联厌氧氨氧化与硝酸盐亚硝化，取代铵的亚硝化，对污水处理厂的进水中总氮（TN）的清除效率达80±4%，厌氧氨氧化细菌将氨氧化为双氮，缺氧条件下，亚硝酸盐可作为电子受体； 生物被膜系统中，硝酸还原速率高于亚硝酸盐还原速率，产生亚硝酸盐用于厌氧氨氧化反应； 在厌氧生物膜中，通过宏基因组分析鉴定出2个优势菌种，以及与厌氧氨氧化代谢过程相关的基因；硝酸还原酶的丰度显著高于亚硝酸还原酶。

中国南北泡菜各有何亚硝酸盐还原菌

利用16S rRNA基因扩增子测序，分析呼和浩特及贵阳两地的泡菜中的细菌组成差异；鉴定出亚硝酸盐还原细菌属，大多数为乳杆菌属（73.37%），其余包括片球菌属、不动杆菌属、明串珠菌属、魏斯氏菌属、链球菌属、巨单胞菌属、肠球菌属及Alistipes菌属； 在南北两地的泡菜中，乳杆菌属均占主要部分，且其丰度与泡菜中的亚硝酸盐含量呈显著负相关，贵阳泡菜中的乳杆菌属丰度高于呼和浩特泡菜；利用测序可全面评估泡菜等食品的微生物组成。

杰弗里.维说，我们的研究主要是利用转基因技术，让微生物按照我们的要求工作，其次是生产食物添加剂。这些发现在人类社会走向绿色经济过程中，具有十分重要的现实意义。