近日，中国科学院国家纳米科学中心陈春英教授课题组研究发现，肠道菌群可以将外源碳纳米材料(CNMs)作为碳源发酵成短链脂肪酸。该研究发表在美国国家科学院院刊上，并被报道为自然亮点。

研究表明肠道微生物群可以将碳纳米材料发酵成有机代谢物

肠道微生物群是外源性纳米材料通过口服途径的主要目标。肠道微生物群控制的生物过程决定了CNMs在宿主中的最终命运。然而，CNM和肠道中的许多成分，如食物、碳水化合物、蛋白质和脂质，以及生命“细胞”的基本组成部分，都含有相同的构成元素——碳。使用传统方法精确分析CNMs在肠道中的代谢过程非常具有挑战性。

为解决这一问题，研究团队通过应用稳定同位素13C标记技术、同位素代谢流示踪技术、高分辨率质谱和微生物群基因测序，揭示了碳纳米材料在肠道微生物群中的“前世今生”。

在这项工作中，研究人员首先发现肠道微生物群可以分解两种类型的CNM：单壁碳纳米管(SWCNT)和氧化石墨烯(GO)。通过筛选肠道代谢物，他们证明通过口服管饲法处理碳纳米材料的小鼠肠道中的短链脂肪酸显着增加。

利用稳定同位素13C标记的氧化石墨和代谢流示踪技术，他们发现CNMs就像膳食纤维一样，可以作为肠道微生物群的有效碳源进行降解和发酵，进入丙酮酸代谢途径生成丁酸。在此过程中，包括己糖激酶、丙酮酸激酶、丙酮酸脱氢酶和丁酸激酶在内的多种微生物酶参与了CNMs向丁酸的发酵。

微生物基因测序表明，产丁酸盐的细菌是利用CNMs产生丁酸盐的优势物种。重要的是，过量的丁酸盐会影响肠道稳态。

该研究首次阐明了CNMs从源头到末端的整个代谢过程，打破了微生物只能利用碳水化合物合成有机丁酸分子的传统观念。该研究证实肠道微生物可以利用人工合成的CNMs作为碳源产生内源性有机代谢产物，揭示了CNMs在宿主体内新的生物学归宿，为拓展CNMs的应用场景提供了重要的理论支持。