利用乳酸發酵助人的韋榮氏球菌

目前科學研究已指出人體腸道中的微生物群 (microbiota) 與人體健康息息相關，在營養素吸收、新陳代謝與免疫力等層面均扮演重要角色。微生物群會利用多樣的代謝性酵素幫助人體進行食物分解與吸收，參與維生素、胺基酸和脂肪的合成，並且分泌抗菌物質協助抵禦外來病原體的入侵 [1]。

韋榮氏球菌 (Veionella spp.) 是居住在人體口腔與腸道的厭氧性革蘭氏陰性菌，會透過乳酸發酵 (lactate fermentation) 產生醋酸 (acetate) 和丙酸 (propionate) 等對人體有益的短鏈脂肪酸 (short-chain fatty acids，SCFAs) [2]。過去研究發現：菁英運動員的腸道內含有高含量的韋榮氏球菌；提升運動量與強度可提升腸道內的韋榮氏球菌數量並且改善內毒素症；自閉症患者與氣喘小兒病人的腸道中所含的韋榮氏球菌較低，以上這些發現凸顯針對韋榮氏球菌進行研究的重要性。

人體腸道是一個相當變動的環境，所含營養物質含量會隨時間不斷變化，導致腸道內菌株的生長速率與基因表現也會隨時間跟著改變。韋榮氏球菌的生長過程可以分成指數期 (log phase)、指數晚期 (late log phase)、靜止早期 (early stationary phase) 和靜止期 (stationary phase) 四個階段。目前關於韋榮氏球菌進行乳酸發酵的研究主要著重於該菌株於指數期的樣態，不過腸道內的菌株主要是以靜止期的樣態存在，因此於此篇研究中，陽明交通大學黃雪莉老師的研究團隊針韋榮氏球菌於不同生長階段的乳酸發酵樣態進行研究探討，希望對於韋榮氏球菌於不同生長階段的乳酸發酵機制有進一步的了解 [3]。

韋榮氏球菌從指數期到靜止期的過程中，由於環境中的營養物質與氧氣會逐漸減少，韋榮氏球菌的生長速度會逐步減緩，並且提高其代謝機制中進行無氧乳酸發酵的占比。研究團隊首先比較韋榮氏球菌於四個生長階段的代謝變化，發現韋榮氏球菌將乳酸代謝之後會產出三種主要代謝物：丙酸、醋酸和丙酮酸。首先作為來源的乳酸代謝與初期代謝產物丙酸的生成速度於指數期至靜止早期會逐步減緩，但在進入靜止期後丙酸生成的速度則會略為回升；醋酸於指數期至靜止早期會以穩定的速度生成，進入靜止期後會出現明顯生成增速的現象；丙酮酸的生成速度於指數期至靜止早期大致穩定，進入靜止期後會明顯降低 (圖一)。

圖一、韋榮氏球菌於四個生長階段的乳酸代謝以及丙酸、醋酸和丙酮酸的生成含量變化。

研究團隊進一步針對不同生長階段的韋榮氏球菌的基因表現進行分析，發現各個基因會隨著韋榮氏球菌進入不同生長階段而產生上調 (upregulated) 或下調 (downregulated) 的現象。參與丙酸合成的酵素基因會於靜止早期下調而後於靜止期上調；參與醋酸合成的酵素基因會於靜止期上調；參與利用丙酮酸的酵素基因會於靜止早期上調而後於靜止期下調，這些基因的表現變化解釋了韋榮氏球菌於不同生長階段產出代謝物的含量變化。此外，團隊也發現參與糖質新生、胺基酸代謝與生成，以及氮代謝和生物素 (biotin) 合成的相關基因會隨著韋榮氏球菌進入不同生長階段而產生上調或下調的現象。研究團隊利用此研究證實韋榮氏球菌會依據環境調整其代謝方法，並且繪出韋榮氏球菌的乳酸代謝機制圖 (圖二)，幫助研究界更深入了解韋榮氏球菌的乳酸代謝途徑，為韋榮氏球菌的後續研究奠下科學基礎。

圖二、韋榮氏球菌的乳酸代謝機制圖。

參考文獻:

[1] Hou, K., Wu, Z. X., Chen, X. Y., Wang, J. Q., Zhang, D., Xiao, C., Zhu, D., Koya, J. B., Wei, L., Li, J., & Chen, Z. S. (2022). Microbiota in health and diseases. Signal transduction and targeted therapy, 7(1), 135. https://doi.org/10.1038/s41392-022-00974-4

[2] Distler, W., & Kröncke, A. (1981). The lactate metabolism of the oral bacterium Veillonella from human saliva. Archives of oral biology, 26(8), 657–661. https://doi.org/10.1016/0003-9969(81)90162-x

[3] Zhang, S. M., & Huang, S. L. (2023). The Commensal Anaerobe Veillonella dispar Reprograms Its Lactate Metabolism and Short-Chain Fatty Acid Production during the Stationary Phase. Microbiology spectrum, 11(2), e0355822. Advance online publication. https://doi.org/10.1128/spectrum.03558-22