利用酶作为调节肠道微生物群的有力工具

谷禾健康

口服酶可以对肠道微生物群的组成产生深远的影响，并且可以作为一种有吸引力的替代调节剂。

本文总结了酶影响肠道微生物群的三种方式，并讨论了选择合适的酶来调节肠道微生物群的挑战。

酶：一种被忽视的调节肠道微生物群的因子

人类肠道容纳多达100万亿微生物，包括细菌、古细菌、真菌等。

最近的一项研究发现，有178种肠道微生物可产生400多种高度丰富的代谢物，其中许多可通过肠道屏障迁移，进入血液循环，并对宿主进行免疫、代谢和神经元调节。

目前用于调节肠道微生物群的大多数策略都集中在化学品和整个微生物细胞上。而酶，作为具有催化功能的特殊蛋白质，却没有被广泛考虑。

几乎在所有生化反应中都需要酶。在畜牧业中，各种酶被广泛添加到饲料中，以促进动物的生长。它们的有益作用与肠道菌群的变化有关，并可能部分归因于肠道菌群的变化，这强烈表明可以有意选择酶来调节肠道菌群。

事实上，在小鼠和其他实验动物中，酶无疑已被证明对肠道微生物群有潜在影响。

酶影响肠道微生物群的方式

酶可以通过三种方式影响肠道微生物群。

1

// 一些酶可以杀死肠道微生物

溶菌酶、类溶菌酶糖苷水解酶和细菌噬菌体溶菌酶直接降解细菌细胞壁的主要成分肽聚糖。

Su X, Yao B. Trends Microbiol. 2022

在小鼠中，口服赖氨酸-防御素嵌合蛋白可显著减少粪便艰难梭菌孢子，从而降低死亡率。酶可以产生对肠道微生物有害的反应产物。

在肠道中，管腔葡萄糖（浓度为几十毫摩尔）、L-氨基酸（回肠中的几毫摩尔），甚至细菌衍生的游离D-氨基酸（盲肠内容物中的约200-500 nmol/g）都可以被酶氧化，释放过氧化氢杀菌。在小鼠体内，D-氨基酸氧化酶导致霍乱弧菌（Vibrio cholera）在小肠中的定植显著减少。

2

// 酶可以刺激肠道微生物生长

在人类中，食物中约一半的木聚糖被肠道微生物木聚糖酶降解为低聚木糖，低聚木糖支持某些肠道微生物（如拟杆菌、双歧杆菌和乳酸杆菌属）的生长。

Su X, Yao B. Trends Microbiol. 2022

木聚糖酶的刺激谱可以通过肠道微生物的生态网络进一步扩展。

酶还可以通过催化去除有害化学物质来刺激肠道微生物生长。

肠道碱性磷酸酶（IAP）是一种由肠上皮细胞分泌的内源性酶，通过降低抑制细菌的管腔核苷酸三磷酸的浓度来促进特定肠道微生物的生长。这与减轻肠道屏障损伤和减轻酒精诱导的肝脂肪变性等疾病密切相关。

3

// 酶能通过干扰微生物网络影响肠道菌群

群体感应（QS）是微生物群形成网络的一种方式。通过感应信号分子，微生物同步生成生物膜并排出有毒分子。

Su X, Yao B. Trends Microbiol. 2022

通过N-酰基高丝氨酸乳糖等酶去除QS分子（群体猝灭）可以调节金鱼的肠道微生物群，这可以通过增加变形菌的丰度和减少肠道中致病性嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophila）来证明。

分散素B也证明了微生物网络的干扰，它水解生物膜稳定剂1,6-N-乙酰-D-葡萄糖胺，从而显著减少铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）在肠道中的定植。

选择合适的酶来调节肠道菌群

研究表明，有充分的机会利用酶来调节肠道微生物群，进而促进宿主的健康。

这其中最大的挑战可能是该使用什么酶。

以治疗慢性疾病为例。由于整合多组学分析的能力不断发展，慢性病中的致病菌群正逐渐被识别出来。

因此，酶可以作为有选择地富集或减少有害致病微生物的宝贵工具。

因为酶能够通过将致病微生物与微生物结合模块(如抗体)连接起来，从而瞄准致病微生物。

为了制造这种具有精确调节功能的酶，可以从拟杆菌的“自私”策略中获取经验。这种细菌编码细胞表面附着的甘露聚糖酶，以帮助它在竞争激烈的肠道生态位中靠甘露聚糖繁衍生息。

此外，成功地将赖氨酸与细菌素融合，使酶能够杀死革兰氏阴性细菌，可以减少不必要的致病菌。

酶可以作为已知化学物质或微生物的增强剂，影响致病微生物。

例如，2型糖尿病患者(50%)对两种精心设计的高纤维饮食没有积极的反应。在那些从饮食中受益的人中，利用低聚糖的细菌，如双歧杆菌属，属于少数“公会”致病微生物。在这些饮食中添加纤维特异性酶可以释放更多低聚糖，从而改善细菌的生长，从而有助于缓解更多患者的疾病。

然而，许多其他疾病与肠道微生物群变化之间的机制联系目前仅限于关联而非因果关系。因为肠道中几乎所有的成分都是酶的潜在底物，除了上述几种酶之外，还有大量其他候选酶。

从理论上讲，直接受酶影响的肠道微生物可以从酶的作用模式中推断出来，根据已知的机械关联，可以使用该模式选择酶作为进一步测试的候选酶。

酶可以用来帮助释放真正的效应剂

这在使用化学药品和微生物来调节肠道微生物群的组成时是不容易做到的。例如，溶菌酶通过杀死乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)和释放细胞内超氧化物歧化酶来缓解结肠炎。

总的来说，这些结果表明，通过询问与上述三种酶以及其他类似的候选酶，并对其进行系统地测试，可以发现在有效调节肠道微生物群方面的隐藏酶。或者，将有关酶、饮食和宿主基因型的累积信息集成到现有数据库中，如Amadis (http://gift2disease.net/GIFTED/)将肠道微生物群与疾病联系起来，可能会有更合理的选择，并减少需要筛选的酶的数量。

选择酶的重要考虑因素

尽管生产、储存和口服都很容易，但在选择合适的酶时仍有重要的考虑因素。

1、考虑酶的耐受条件，相应增加剂量

口服给药时，酶必须能够耐受肠道内的恶劣条件，包括酸性pH值和蛋白酶消化，这表明应选择候选酶来满足抵抗力，最初计算的剂量应在实验验证的基础上相应增加，以补偿储存和使用过程中任何可能的活性损失。

2、考虑酶的多效作用甚至危害影响

虽然酶不具有水平基因转移和引入多药耐药生物体甚至与基因工程益生菌和粪便微生物群移植相关的病原体的安全风险，但酶可以发挥不必要的多效作用，甚至产生有害影响。例如，磷脂酶将磷脂酰胆碱水解为胆碱，可被肠道细菌进一步转化为代谢产物三甲胺，三甲胺与不良疾病相关。

3、同一家族中不能调节菌群的酶需要排除

同一家族中的一些酶略有不同。那些不能调节目标微生物的也应该被排除在外。例如，木聚糖酶释放大量不同的低聚木糖，肠道细菌如Roseburia intestinalis和Bacteroides ovatus对具有不同糖链长度的低聚木糖的反应非常不同。

结语

酶影响肠道微生物群，进而影响宿主健康，再加上大量候选者的可用性和可感知的优势，使其成为调节肠道微生物群的一种不错的方式。了解酶的功能和催化机制可以更好地调节肠道菌群，指导药物使用，治疗人类疾病。

然而，由于酶与其底物、肠道微生物群和宿主之间的复杂相互作用，开发酶等新试剂并非易事。需要针对不同情况选择合适的酶。此外，酶并非排他性的，它们可以与化学物质和微生物合作，改变肠道微生物群的组成，进一步促进宿主的健康。

主要参考文献：

Su X, Yao B. Exploiting enzymes as a powerful tool to modulate the gut microbiota. Trends Microbiol. 2022 Feb 1:S0966-842X(22)00003-8. doi: 10.1016/j.tim.2022.01.003. Epub ahead of print. PMID: 35120774.

Jia B, Han X, Kim KH, Jeon CO. Discovery and mining of enzymes from the human gut microbiome. Trends Biotechnol. 2022 Feb;40(2):240-254. doi: 10.1016/j.tibtech.2021.06.008. Epub 2021 Jul 22. PMID: 34304905.

Neves ALA, Yu J, Suzuki Y, Baez-Magana M, Arutyunova E, O’Hara E, McAllister T, Ominski KH, Lemieux MJ, Guan LL. Accelerated discovery of novel glycoside hydrolases using targeted functional profiling and selective pressure on the rumen microbiome. Microbiome. 2021 Nov 23;9(1):229. doi: 10.1186/s40168-021-01147-1. PMID: 34814938; PMCID: PMC8609826.