钙对嗜酸乳杆菌和植物乳杆菌生长及生物膜形成的调控机制：肠道微生物研究新突破

为探究钙（Ca2+）对肠道微生物的影响机制，研究人员以嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）ATCC 4356 和植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）ATCC 14917 为对象开展研究。结果发现 Ca2+促进二者生长，且强烈诱导嗜酸乳杆菌生物膜形成。该研究为理解肠道微生物与健康关系提供新视角。

　　在人体的肠道中，栖息着数万亿的微生物，它们如同一个庞大而神秘的 “小宇宙”，对人体健康起着至关重要的作用。其中，乳酸杆菌科（Lactobacillaceae）作为肠道微生物群的重要成员，与人体健康密切相关。它们不仅有助于维持肠道的正常功能，还在免疫调节、抑制病原体等方面发挥着积极作用。然而，肠道微生物群的平衡十分脆弱，饮食、药物等因素都可能打破这一平衡，引发各种健康问题。

钙（Ca²⁺）作为一种广泛存在的无机离子，在细胞的生命活动中扮演着多种角色。在真核生物中，它参与调节细胞周期、基因表达和新陈代谢等重要过程。但在原核生物，尤其是乳酸杆菌科中，Ca²⁺的具体作用和机制却一直是个谜。虽然已有研究表明，饮食中的钙会影响肠道微生物群的组成，对乳酸杆菌科的生存也有一定作用，可其中的分子机制却模糊不清。这就如同在黑暗中摸索，我们知道前方有重要的东西等待发现，却找不到前进的方向。

为了揭开这个谜团，来自美国休斯顿大学（University of Houston）的研究人员踏上了探索之旅。他们精心挑选了嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）ATCC 4356 和植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）ATCC 14917 这两种在肠道中常见且研究相对较多的乳酸杆菌科物种，深入研究 Ca²⁺对它们生长和生物膜形成的影响。生物膜（biofilm）是细菌为适应生存环境而形成的一种聚集结构，它与细菌在肠道中的定植能力密切相关，就像是细菌为自己建造的 “坚固堡垒” 。

研究人员开展的这项研究意义重大。它不仅帮助我们更深入地理解了 Ca²⁺在乳酸杆菌科中的作用机制，还为解释饮食如何通过影响肠道微生物群进而影响人体健康和疾病提供了关键线索。该研究成果发表在《Scientific Reports》上，为相关领域的研究开辟了新的道路。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）技术，通过该技术测定细菌对金属的吸收情况，了解 Ca²⁺在细菌生长过程中的积累水平。其次，利用结晶紫（CV）染色法对生物膜进行定量分析，直观地观察 Ca²⁺对生物膜形成的影响。此外，还借助生物信息分析手段，预测可能的 Ca²⁺结合蛋白，从分子层面探究 Ca²⁺作用的潜在机制。

下面来看看具体的研究结果：

• 钙促进嗜酸乳杆菌和植物乳杆菌的生长：研究人员使用了多种培养基，包括富含营养的 MRS 培养基、化学限定的最小培养基（CDM）以及添加了粘蛋白糖蛋白的 mCDM 培养基。结果发现，添加 Ca²⁺能促进嗜酸乳杆菌 ATCC 4356 和植物乳杆菌 ATCC 14917 在 MRS 和 CDM 培养基中的生长。不过，这种促进作用在不同菌种和培养基中存在差异。对于嗜酸乳杆菌 ATCC 4356，较低浓度（1 和 5 mM Ca²⁺）的 Ca²⁺促进作用更强；而在 mCDM 培养基中，添加 Ca²⁺对两种菌生长的影响相对较小，这可能是因为粘蛋白中含有钙，为细菌提供了一定的钙源。
• 钙增加嗜酸乳杆菌的生物膜形成，但对植物乳杆菌影响较小：通过静态生物膜测定实验，研究人员发现增加 Ca²⁺浓度能显著促进嗜酸乳杆菌 ATCC 4356 的生物膜形成，在 48 小时时效果尤为明显。而对于植物乳杆菌 ATCC 14917，只有在较低浓度（5 - 10 mM）的 Ca²⁺时，生物膜形成才会有所促进，且在 25 mM Ca²⁺时，生物膜形成量最低。这表明 Ca²⁺在调节两种菌的生物膜形成方面有着不同的作用机制。
• 细胞外螯合剂对嗜酸乳杆菌和植物乳杆菌生长和生物膜形成的影响不同：研究人员加入细胞外螯合剂乙二醇双（β - 氨基乙基） - N，N，N'，N' - 四乙酸（EGTA），以探究 Ca²⁺的作用机制。结果显示，EGTA 能抑制嗜酸乳杆菌 ATCC 4356 的生物膜形成，但对其浮游生长影响较小，这说明嗜酸乳杆菌可能具有高效的 Ca²⁺摄取转运体，能在与 EGTA 竞争 Ca²⁺时维持浮游细胞的生长。相比之下，EGTA 对植物乳杆菌 ATCC 14917 的影响较小，甚至在添加 10 和 25 mM Ca²⁺时，还会使生物膜质量有所增加，这表明植物乳杆菌在 Ca²⁺有限的培养基中可能具有更低的 Ca²⁺需求或更高效的摄取能力。
• 显微镜分析揭示钙对嗜酸乳杆菌生物膜聚集的影响：利用明场显微镜观察发现，随着 Ca²⁺浓度的增加，嗜酸乳杆菌 ATCC 4356 的细胞 - 细胞聚集明显增加，且细胞形态从丝状转变为杆状。而植物乳杆菌 ATCC 14917 的细胞密度在 10 mM Ca²⁺时有所增加，但没有明显的形态变化。这进一步证实了 Ca²⁺在嗜酸乳杆菌细胞 - 细胞聚集中的重要作用。
• 估算钙与嗜酸乳杆菌的结合亲和力并进行生物信息分析：通过生物膜定量分析进行 Ca²⁺滴定，研究人员估算出 Ca²⁺与嗜酸乳杆菌 ATCC 4356 的表观解离常数（K_d）为 46 ± 0.7 μM，这表明 Ca²⁺与嗜酸乳杆菌表面可能存在特定的结合位点。生物信息分析发现，嗜酸乳杆菌含有多种潜在的 Ca²⁺结合表面蛋白，如 S 层蛋白（SlpA 和 SlpX）和预测的表面蛋白（Q5FIM8），这些蛋白可能在 Ca²⁺诱导的生物膜形成中发挥重要作用。

研究结论和讨论部分指出，Ca²⁺在乳酸杆菌科物种的生长和生物膜形成中起着重要作用。它既能作为细胞内的营养物质，促进细菌生长，又能在细胞外增强细胞 - 细胞相互作用，影响生物膜的形成。这一发现为理解肠道微生物如何在复杂的肠道环境中生存和发挥作用提供了新的视角，也为进一步研究饮食与健康的关系奠定了基础。未来，研究人员可以基于这些发现，深入探究 Ca²⁺与其他金属离子以及肠道微生物群中其他成员的相互作用，为开发基于微生物的治疗方法和改善肠道健康的策略提供更多理论依据。