一项最新研究绘制了常见肠道细菌检测到的化学信号图谱，揭示了帮助它们寻找营养物质并繁殖的关键线索。研究人员首次测试了真实的人体肠道菌群而非实验室常见病原体，其发现颠覆了多个既有认知。
马克斯·普朗克陆地微生物研究所（MPI）的维克多·索里克（Victor Sourjik）团队发现，羧酸类物质（特别是乳酸和甲酸）在这些微生物的感知偏好中居于首位。
微生物沿化学轨迹移动
肠道微生物群是一个繁忙的共生社区，微生物通过交换代谢产物共享资源。近期综述显示，交叉喂养在肠道生态系统中至关重要，例如某些菌群利用其他菌群的代谢废物生存。
细菌通过趋化性向有益化学物质游动，远离有害物质。以大肠杆菌为例，经典研究表明其对氨基酸的趋化性强弱与利用该氨基酸的速度直接相关。营养物质不仅滋养单个细胞，还决定着微生物的栖息地分布。这些信号形成浓度梯度，引导微生物进入与其代谢方式匹配的生态位。
这项研究提出了一个具有广泛意义的问题：有益的肠道细菌在肠道化学混合物中实际感知哪些物质？
肠道细菌感知机制探究
研究人员从20种肠道菌群中构建了感测结构域库，重点研究丰度较高的梭菌门（Clostridia），筛选了150多种代谢物。
他们识别出34组受体与特定化合物的对应关系，涵盖氨基酸、核碱基衍生物、胺类、吲哚及多类羧酸。这些感测结构域分布在控制运动、基因响应或第二信使的三类跨膜受体上。在35个趋化性受体中，12个被分配配体，但组氨酸激酶受体仅1个，这种模式表明趋化性主要与觅食相关。
对一类名为Cache结构域的胞外传感器家族研究显示，测试共生菌中约半数Cache型趋化受体可分配配体。这些数字揭示了行为与代谢的关联——在此生态位中，受体更倾向于感知与生长相关的信号。
细菌偏好的营养信号
酸性物质占研究结果的大部分，其中乳酸和甲酸是细菌反应最强烈的信号。这种模式符合微生物群落代谢特征：一个微生物的代谢废物可能成为另一个微生物的养分。例如，微生物对乳酸的利用常进入产能途径，有助于稳定肠道环境。
对多种罗斯氏菌（Roseburia）菌株的生长测试支持该结论：携带匹配受体的菌株中，L-乳酸和甲酸显著加速生长。虽然短链脂肪酸（SCFAs）也存在感测，但频率低于预期。高亲和力传感器更偏好低丰度代谢物，显示微生物能精准定位稀缺资源。
感知机制的科学解析
配体是受体可检测并响应的化学物质。研究中发现两种传感器设计：单单元结构检测乳酸或丙酮酸，双单元结构可响应差异显著的分子。其中名为dCache_1UR的双单元传感器尤为特别：其一部分识别尿嘧啶，另一部分检测乙酸。
团队甚至解析了其结构，显示不同结构单元使用不同构建模块结合目标。这种双结构域暗示灵活调控机制——识别尿嘧啶的结合口袋与胺类感测口袋密切相关，小的序列替换即可改变特异性。
进化分析表明，这些结构域在细菌适应新生态位时能快速转换目标。这种适应性解释了共生菌如何调整感测谱系以适应肠道复杂的化学环境。
细菌间的信号对话
当某菌种分泌乳酸或甲酸时，携带匹配传感器的邻近微生物可循迹而至。这种交叉喂养通道使微生物群落在饮食或条件变化时保持弹性。信号不仅限于营养物质，微生物衍生的吲哚可调节炎症，并通过代谢物传递重塑微生物网络。
这些发现与产丁酸菌（如罗斯氏菌）密切相关。罗斯氏菌（Roseburia intestinalis）是一种能动的有益菌，通过产生丁酸维持肠道屏障健康和能量平衡。趋化性使其能追踪肠壁附近的营养梯度，并与释放其偏好化合物的伙伴菌协调合作。
营养、微生物与平衡调控
若共生菌追逐乳酸和甲酸，饮食与宿主代谢可能间接调控微生物生长位置及方式。这为干预策略提供新思路——通过调整代谢物景观而非直接引入单一菌株来维持平衡。
稳定乳酸流量的疗法或有助于维持菌群平衡。当乳酸被正确伙伴菌快速捕获并转化时，短链脂肪酸产量可提升。受体数据为开发靶向益生元提供了具体目标，同时也绘制了实时监测肠道化学环境的生物传感器设计蓝图。
“这些结构域在肠道细菌互作中具有重要地位，可能在人类健康微生物组中发挥关键作用，”索里克团队的博士后研究员许文浩（Wenhao Xu）表示。
肠道感知研究下一步
发现可同时结合尿嘧啶和乙酸的双模块受体，提出了模块协作的新问题。独立结合意味着两个输入信号无串扰，但进化可能重新连接这种逻辑。乳酸和甲酸偏好在趋化受体中普遍存在，追踪这些偏好如何随饮食、药物或疾病改变将具有重要意义。
研究团队还发现可检测吲哚的传感器蛋白，显示细菌能将环境感知与基因活性变化连接。此外，受体强度与代谢物丰度呈现反向关系——受体对稀缺化合物结合最紧密，这在资源分布不均的环境中具有生存优势。
该研究发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）。
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