近日，中國科學院國家納米科學中心陳春英課題組在腸道微生物發酵人工合成碳納米材料生成內源有機代謝產物方面取得重要進展。相關研究成果以A new capacity of gut microbiota: fermentation of engineered inorganic carbon nanomaterials into endogenous organic metabolites為題，發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。 

　　腸道微生物是納米材料進入腸道后的首要作用靶器官。作為人體最隱秘的“器官”，腸道微生物控制的生物代謝過程決定外源碳納米材料在宿主內的最終命運。然而，碳納米材料和腸道內的眾多組分，例如，食物、碳水化合物、蛋白和脂質等分子以及生命基本構筑單元“細胞”含有相同的組成元素——碳元素，故傳統分析方法無法實現碳納米材料在腸道內代謝轉化過程的精準分析。針對碳材料體內代謝行為研究的難題，該團隊建立了穩定同位素¹³C骨架標記與代謝流同位素示蹤的創新分析方法，解析了碳納米材料在腸道微生物內的“前世今生”。 

　　本工作發現腸道微生物能夠降解兩種人工合成碳納米材料——單壁碳納米管和氧化石墨烯。研究通過篩查兩種碳納米材料口服暴露后宿主腸道的代謝產物，發現乙酸和丁酸等短鏈脂肪酸含量明顯升高。研究進一步建立氧化石墨烯同位素代謝流示蹤新方法，分析鑒定出¹³C-氧化石墨烯降解后通過¹³C-丙酮酸途徑生成¹³C-丁酸整個代謝鏈條的產物（¹³C-氧化石墨烯—¹³C-葡萄糖—¹³C-丙酮酸—¹³C-乙酸—¹³C-丁酸）；證實了碳納米材料類似于膳食纖維能夠作為碳源被腸道微生物所利用，進行降解發酵，并進入丙酮酸代謝途徑，最終生成丁酸的代謝機制。其中，多種關鍵的微生物代謝酶，包括己糖激酶、丙酮酸激酶、丙酮酸脫氫酶和丁酸激酶等參與碳納米材料發酵生成丁酸的過程。微生物測序揭示產丁酸菌是利用碳納米材料生成丁酸的優勢菌種。 

　　該論文發表后，《自然》（Nature）將這一成果作為亮點進行報道（Bacteria in the digestive tract can break down ingested carbon nanomaterials）。該研究基于建立的創新分析方法，首次明確了碳納米材料從源端-中端-終端的代謝全流程，突破了傳統微生物只能利用碳水化合物合成有機丁酸分子的認知，證實了腸道微生物能夠利用人工合成碳納米材料作為碳源生成內源有機代謝產物的新機制，從而揭示了體內碳納米材料新的生物學命運，為拓展碳納米材料應用場景提供了重要理論支撐。 

　　研究工作獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項等的支持。 

　　論文鏈接  

　　Nature Highlight 　　  

腸道微生物對碳納米材料的厭氧發酵過程