《Nature Communications》：Human milk oligosaccharide mediates mutualism between Escherichia coli and Bifidobacterium bifidum
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本研究聚焦健康母乳喂养婴儿肠道菌群中持续共存的大肠杆菌（Escherichia coli）与双歧杆菌（Bifidobacterium），旨在阐明其生态学作用。通过宏基因组学、新计算方法和体外实验，研究人员揭示了这两种具有不同生态策略的菌属共享乳糖利用相关的进化适应，并首次证实大肠杆菌可通过为营养缺陷型伙伴两歧双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum）提供半胱氨酸，促进双方协同降解主要母乳寡糖2′-岩藻糖基乳糖（2′-fucosyllactose, 2′FL），形成互惠的交叉喂养互作。该发现为理解早期生命肠道微生物群落的组装原则及调控潜在致病菌丰度提供了新机制。
婴儿呱呱坠地后，其肠道并非一片“无菌之地”，而是迅速开启了一场微生物的“殖民竞赛”。这场早期生命中的微生物群落组装，与婴儿的健康发育息息相关。在母乳喂养的婴儿肠道中，双歧杆菌（Bifidobacterium）通常是优势菌群，它们能够高效降解母乳中婴儿自身无法消化的复杂碳水化合物——母乳寡糖（Human Milk Oligosaccharides, HMOs），从而获得生长优势，并为宿主带来诸多健康益处，如诱导免疫耐受、抵抗病原体等。与此同时，大肠杆菌（Escherichia coli）也普遍存在，虽然其丰度通常较低，但出现频率很高。大肠杆菌通常被视为“条件致病菌”，其过度增殖可能导致新生儿腹泻和败血症，是低收入和中等收入国家新生儿死亡的重要原因之一。然而，大肠杆菌缺乏直接降解HMOs的能力，那么，在HMOs丰富的母乳喂养婴儿肠道中，它是如何持续定植并与优势的双歧杆菌共存的呢？这背后的生态学原理一直不甚明了。为了解答这个谜题，一个国际研究团队开展了一项深入的研究，相关成果发表在国际知名期刊《Nature Communications》上。
为了揭示婴儿肠道微生物群落的组装原则，研究人员综合利用了多项关键技术。他们首先对一个荷兰健康、足月、母乳喂养婴儿队列（n=41）及其母亲（n=30）的纵向粪便样本进行了鸟枪法宏基因组测序。基于测序数据，他们开发了一种新的计算流程MAJIC，用于评估特定微生物对肠道生态的潜在影响。同时，他们从头组装了高质量的宏基因组组装基因组，用于进行菌株水平的解析和微多样性分析。此外，研究还采用了一种不依赖传统基因注释的方法，通过分析糖苷水解酶与共进化基因的关联，来推断微生物的营养策略。最后，通过体外共培养实验，结合高效阴离子交换色谱等技术，直接验证了目标菌种间的代谢互作机制。
研究结果
1. 大肠杆菌和双歧杆菌在生命早期持续共存
通过对不同时间点（产后2、6、11个月）婴儿肠道菌群的分析发现，只要以母乳为主要营养来源，尽管大肠杆菌相对丰度较低，但它与高丰度的双歧杆菌物种（如两歧双歧杆菌 B. bifidum、短双歧杆菌 B. breve、长双歧杆菌长亚种 B. longumsubsp. longum）在绝大多数情况下共同出现。这种共现模式不仅限于胞外降解HMOs的菌种（如B. bifidum），也出现在主要进行胞内HMOs降解的菌种中，暗示未被宿主完全吸收的残留乳糖可能足以支持两者的共存。
2. 菌株解析揭示婴儿肠道微生物群的传播途径
通过菌株水平分析发现，双歧杆菌物种（尤其是B. longumsubsp. longum）的菌株常在家庭内部（母婴之间）共享，而大肠杆菌菌株则多来源于外部，但经常在个体内持续存在。两者在基因核苷酸多样性上也表现出差异，大肠杆菌显示出更高的微多样性。这些发现揭示了关键婴儿肠道微生物在传播和持续性上采取的不同生态策略。
3. GH驱动的共同进化支持微生物对HMOs的适应
通过分析糖苷水解酶GH2与其共进化基因的关联，研究人员发现，双歧杆菌和大肠杆菌在适应婴儿肠道碳水化合物环境上共享生态约束。它们的基因组中，与GH2共进化基因中属于其他碳水化合物活性酶的比例存在非随机性富集，表明它们在获取乳糖相关降解产物上存在功能关联。值得注意的是，两歧双歧杆菌偏离了这一模式，其GH2相关基因均为非碳水化合物活性酶，暗示了其独特的代谢适应方式。
4. 两歧双歧杆菌和大肠杆菌在2′FL降解上合作
体外实验证实，从婴儿粪便中分离的两歧双歧杆菌能够在以2′-岩藻糖基乳糖为唯一碳源的培养基中生长，而大肠杆菌K-12不能直接利用2′FL，但可以利用其单体成分（岩藻糖、半乳糖、葡萄糖）。更重要的是，当将两者在缺乏外源半胱氨酸（两歧双歧杆菌生长所必需）的培养基中共培养时，能够产生原养型的大肠杆菌K-12可以通过提供半胱氨酸，帮助营养缺陷型的两歧双歧杆菌克服生长限制，从而启动对2′FL的降解。降解后释放的单糖又反过来支持大肠杆菌的生长。使用无法合成半胱氨酸的大肠杆菌突变体（Δ-cysE）进行的对照实验证实了这一互作的专一性。这清晰地展示了一种互惠的交叉喂养相互作用：大肠杆菌提供氨基酸“援助”，两歧双歧杆菌则提供碳源“回报”。
研究结论与意义
本研究系统揭示了在健康母乳喂养婴儿肠道中，大肠杆菌与双歧杆菌这两种核心微生物共存的生态学基础。研究表明，两者的共存主要受对宿主来源糖类（残留乳糖和HMOs）竞争关系的驱动。双歧杆菌作为HMOs降解的专家，占据了这一丰富而独特的生态位，维持了高丰度；而大肠杆菌作为通用型营养策略者，其持续存在可能主要依赖于竞争获取有限的残留乳糖。然而，本研究首次在实验上证实，当存在胞外HMOs降解者（如两歧双歧杆菌）时，两者之间可以形成一种基于氨基酸与碳源交换的互惠性交叉喂养互作。这种互作可能作为调节大肠杆菌在宿主体内丰度的次要机制。
这一发现具有多重重要意义。首先，它挑战了关于双歧杆菌通过产酸抑制大肠杆菌的传统观点，揭示了在健康婴儿体内，两者可能通过代谢合作实现稳定共存。其次，它阐明了早期生命肠道中一种关键的微生物互作形式，为理解微生物群落的组装和稳定性提供了新的理论视角。这种互作如同一种“雪堆博弈”，在营养限制条件下双方互惠，但在营养充足时依赖性减弱。最后，该研究提示，在早产儿或患病婴儿肠道环境发生改变（如乳糖消化功能受损、半胱氨酸可利用性变化）的情况下，微生物间的代谢耦合可能变得更加紧密和关键，这为了解相关疾病状态下的菌群失调提供了线索。未来，通过稳定同位素示踪等技术深入研究肠道内的碳流和营养网络，将有助于指导旨在支持儿童健康的益生菌或膳食干预措施的合理设计。
