事实证明，肠胃气体不仅仅会引起尴尬的笑声或让人迅速离开拥挤的房间。莫纳什大学(Monash University)和哈德逊医学研究所(Hudson Institute of Medical Research)的科学家们发现了氢气——肠胃气胀的主要成分——在维持肠道健康方面发挥的重要作用。
在发表于《自然·微生物学》(Nature Microbiology)杂志的一项研究中，凯特琳·韦尔什(Caitlin Welsh)博士及其同事描述了一种鲜为人知的酶——B组[FeFe]-氢化酶(Group B [FeFe]-hydrogenase)如何帮助肠道细菌茁壮成长并保持消化系统的正常运转。
"大多数人每天排出约一升气体，其中一半是氢气，"韦尔什说，"但氢气不仅仅是产生肠胃气胀的气体——它是肠道健康的隐形引擎。"
用于培养人体胃肠道细菌的琼脂平板。(CREDIT: 莫纳什大学)
研究如何进行
研究人员希望了解哪些微生物酶在人体肠道中产生氢气，以及它们在健康和疾病状态下的活性如何变化。通过对300多个粪便DNA样本和78个RNA表达谱的分析，他们发现B组[FeFe]-氢化酶是健康个体中最丰富且最活跃的产氢系统。
平均而言，这种酶存在于约62%的肠道细菌中，特别是属于拟杆菌属(Bacteroides)的细菌，这类细菌以分解复杂碳水化合物而闻名。研究人员还检查了42名捐献者的肠道组织样本，发现该酶在肠壁中同样活跃，这表明其作用不仅限于废物，还延伸到实际消化发生的部位。
这种酶的特殊之处
为了确认其活性，科学家们在发酵条件下培养了19种肠道细菌，这与肠道消化食物的条件相同。13种菌株携带着B组[FeFe]-氢化酶的基因，几乎所有这些菌株都能产生可检测到的氢气——在实验室实验中高达3%。缺乏这种酶的细菌则不产生氢气，证实了其不可或缺的作用。
这种酶通过一种称为铁氧还蛋白(ferredoxin)的分子在发酵过程中循环电子。当科学家引入丙酮酸盐(pyruvate)和辅酶A(coenzyme A)等特定化合物时，氢气产量几乎增加了14倍，表明该酶利用这些化学反应来促进气体产生。
当抑制剂关闭了名为丙酮酸盐:铁氧还蛋白氧化还原酶(pyruvate:ferredoxin oxidoreductase)的姐妹酶时，氢气产生完全停止。这种联系揭示了该酶与肠道发酵过程的独特关联。
即使当细菌暴露于可用于呼吸的类似氧气的化合物时，氢气仍占其总能量输出的近10%。这表明，即使细菌转换代谢方式，该酶仍保持活跃。
疾病中的变化
该研究的一个关键发现是健康个体与克罗恩病(Crohn's disease)患者之间的差异。B组[FeFe]-氢化酶基因在健康肠道中丰富，但在克罗恩病患者中其数量减少了约22%。与此同时，其他产氢酶类型——尤其是A1组[FeFe]和4a组[NiFe]家族的酶——变得更为常见。
"这些模式表明，疾病状态下的氢循环从根本上不同，"莫纳什大学"一体健康微生物学"(One Health Microbiology)小组负责人、共同资深作者克里斯·格林宁(Chris Greening)教授说，"我们尚不清楚这种变化是导致疾病的原因还是疾病的结果，但很明显，氢代谢与肠道健康相关。"
七种肠道拟杆菌分离株中发酵相关基因(包括B组和A3组[FeFe]-氢化酶)的平均转录(TPM)，三次重复实验。(CREDIT: 《自然·微生物学》)
在2型糖尿病、肝硬化、结直肠癌和动脉粥样硬化等疾病中也观察到了这种酶的不平衡，表明氢代谢可以影响或反映整体健康问题。
肠道微生物的新观点
到目前为止，大多数科学家认为肠道氢气主要是由梭菌纲(Clostridia)细菌产生的。这项研究通过显示拟杆菌属(Bacteroides)物种——由B组[FeFe]-氢化酶驱动——可能是真正的主力，推翻了这一前提。这些细菌不仅产生氢气，还保持肠道复杂微生物群落中的电子流动。
氢气不仅仅作为肠胃气胀排出——它被其他微生物回收利用以获取能量。一些细菌和古菌利用氢气合成甲烷或硫化氢(hydrogen sulfide)等分子。当这种回收过程失衡时，会影响调节炎症、代谢甚至情绪的其他分子的产生。
为何这很重要
氢气名声不佳，但在你的肠道中它正做着重要的工作。它影响着微生物种群，帮助消化，甚至可能影响远离胃部的疾病。"肠道中的气体产生是一个正常过程，"格林宁教授说，"当细菌分解食物时会产生大量氢气，然后被其他微生物用于获取能量。"
病例对照研究中健康个体与克罗恩病患者氢化酶基因水平的比较。(CREDIT: 《自然·微生物学》)
共同资深作者、哈德逊研究所微生物群与系统生物学实验室(Hudson Institute Microbiota and Systems Biology Laboratory)负责人萨姆·福斯特(Sam Forster)副教授表示，理解这些系统最终可能带来更好的微生物组疗法。"通过了解这些系统的作用，也为我们打开了新的治疗干预可能性，其中一些甚至是我们尚未想到的，"他说。
目前，团队的工作强调，肠道气体不仅仅是一个生物怪癖——它是你体内生态系统如何运作的重要标志。
研究的实际意义
这一发现使科学家们更清晰地了解了消化在分子水平上的工作原理以及肠道气体成分为何重要。氢代谢也可以成为肠道健康的新指标，让医生能够更早、更准确地诊断克罗恩病等疾病。
它还可以开启基于微生物组的疗法，恢复产氢细菌和耗氢细菌之间的正常平衡。
长远来看，对这种小酶的理解可能会转化为更有效、更温和的胃肠道疾病治疗方法——以及更好地理解你的肠道气体试图告诉你的信息。
研究结果已在线发表在《自然·微生物学》(Nature Microbiology)杂志上。
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