食物和肠道微生物产生甲基乙二醛，该代谢物促使生物活性1‑乙酰‑β‑卡博林生物碱的形成

为什么你肠里的化学工厂很重要

在我们的肠道和许多发酵食品中，数万亿细菌不断将我们摄入的糖转化为各种化学副产物。这项研究深入探讨了一条这样的途径：某些常见细菌如何将糖变成一种高度反应性的化合物——甲基乙二醛（MGO），继而转化为一类称为1‑乙酰‑β‑卡博林的生物活性分子。因为这些物质既与疾病过程相关，也可能成为新药的来源，了解细菌在何时何地以及如何生成它们，可能会重塑我们对食物、微生物组和健康的认识。

从日常糖到一种有风险的分子

研究者把重点放在甲基乙二醛（MGO）上，这是一种非常活泼且有毒的糖分解副产物。在人类中，过量的MGO与糖尿病、心血管疾病和神经退行性疾病有关，因为它会损伤蛋白质和DNA。我们的细胞通常通过解毒系统来控制MGO，但它们并非唯一来源：细菌也能产生MGO。在某些微生物中，一种名为甲基乙二醛合酶（MgsA）的酶可以将糖代谢中的中间产物直接转化为MGO，从而在能量代谢中形成一种“捷径”。研究团队探究了哪些食物和肠道细菌使用这一途径、在何种条件下使用，以及它们释放的MGO会怎样。

哪些细菌是生产者？

为了解答这一问题，科学家在含有葡萄糖或半乳糖的可控培养基中培养了几株常见于食物的乳酸菌菌株，以及一株实验室常用的大肠杆菌（Escherichia coli）。随后他们使用高精度色谱和质谱随时间追踪培养液中的MGO及两种相关生物碱。只有E. coli和与肉类相关的菌种Lactilactobacillus sakei产生了显著量的MGO和这些生物碱；其它受测的乳酸菌没有产生可观量。基因组搜索揭示了关键差异：E. coli和L. sakei携带mgsA基因，而大多数乳酸菌亲缘种不携带。当研究者将来自L. sakei的mgsA基因插入到一个不产生者菌株中，该工程菌便开始生成MGO和这些生物碱，确凿地将MgsA与该代谢途径联系起来。

MGO如何转变为有生物活性的生物碱

下一个问题是MGO一旦生成会发生什么。团队关注的是1‑乙酰‑β‑卡博林类生物碱（ACE‑βC），这类小分子被报道具有抗菌、抗炎和抗癌活性。他们显示，当产生MGO的细菌在存在氨基酸L‑色氨酸的条件下培养时，两种ACE‑βC——1‑乙酰‑β‑卡博林及其3‑羧酸形式——的含量急剧上升。向培养基中额外添加MGO也促进了它们的形成。这表明MGO会从细胞中逸出并在周围液体中自发与L‑色氨酸发生反应，生成这些生物活性化合物，过程中不需要额外酶的参与。换言之，使MGO具有危险性的相同化学反应，也能把它转化成可能具有有用作用的更复杂分子。

什么因素会调高或调低产量

MGO的产生并非固定不变；它强烈依赖细菌的“饮食”和环境条件。在E. coli中，只有在有葡萄糖时才出现MGO，而且随葡萄糖浓度升高而上升。添加磷酸盐（一种常见矿物营养物）会使MGO的形成提高数倍，可能因为磷酸盐促进了磷酸化糖类中间体的积累，这些中间体会流入MgsA的捷径。低氧（厌氧）条件——类似于人体肠道的环境——也有利于MGO释放，而高氧、良好通气的条件则显著降低其生成，尽管细菌仍能良好生长。相比之下，L. sakei主要在以半乳糖培养时产生MGO，且随着半乳糖浓度增加产量上升。这些模式表明，每当糖在细菌代谢中流量大且氧气有限时，MGO可以充当一种“泄压阀”，减轻积累的糖代谢中间体带来的压力。

这对食物与健康意味着什么

这些发现表明，并非所有肠道或食物细菌在产生MGO和ACE‑βC方面都相同。携带MgsA酶的物种，例如某些L. sakei菌株和E. coli，在富含糖且低氧的环境（如肠道或某些发酵过程中）可能是重要的生产者。它们分泌的MGO可能增加宿主组织的化学负担，但将其转化为ACE‑βC生物碱也可能在一定程度上“清除”这种反应性化合物，同时生成具有自身生物效应的分子。尽管该研究是在实验室培养中完成的，但它强调了饮食、微生物组组成与细菌代谢如何共同影响体内有害与潜在有益化学物质之间平衡的一个可行路径，并指出ACE‑βC可作为食物和肠道中细菌MGO生成的潜在标志物。

引用: Herraiz, T., Sánchez-Arroyo, A., de las Rivas, B. et al. Bacteria from foods and gut microbiota produce methylglyoxal and this metabolite leads to the formation of bioactive 1-acetyl-β-carboline alkaloids. Sci Rep 16, 4905 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35162-9

关键词: 肠道微生物群, 甲基乙二醛, 细菌代谢, 食物发酵, β‑卡博林生物碱