β-Carotene-Producing Bacteria Residing in the Intestine Provide Vitamin A to Mouse Tissues In Vivo
- 作者
- Lesley Wassel, Ruth Wirawan, Michael Chikindas, Paul A. S. Breslin, Daniel J. Hoffman, Loredana Quadro
- 单位
- Department of Food Science, Rutgers University; Department of Nutritional Sciences, Rutgers University; Rutgers Center for Lipid Research, Rutgers University; School of Environmental and Biological Sciences, Rutgers University; Monell Chemical Senses Center
- 杂志
- Journal of Nutrition（2014）
- DOI
- 10.3945/jn.113.188391
- 所属领域
- 代谢工程 / 营养学
- 关键词
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解决的核心问题
维生素A缺乏严重影响全球数百万人健康，现有膳食补充和强化项目成本高、难以大规模推广，亟需探索替代性新策略；本研究旨在验证肠道定殖细菌能否原位合成β-胡萝卜素并递送至哺乳动物组织，从而为治疗维生素A缺乏提供新途径。
研究策略
利用肠道适应型大肠杆菌MG1655*作为底盘，转入含crtE/crtB/crtI/crtY基因的pAC-BETA质粒构建产β-胡萝卜素工程菌MG1655*-βC；通过灌胃给予野生型小鼠和CMOI敲除小鼠，采用不同剂量（低/高）和次数（单次/多次）方案，用HPLC检测血清、肝、肠黏膜和粪便中β-胡萝卜素浓度，并通过菌落计数评估肠道定殖效率。
核心内容
为探索维生素A缺乏症的替代干预策略，研究者将携带crtE/crtB/crtI/crtY基因的pAC-BETA质粒转入肠道适应型大肠杆菌MG1655*，构建了产β-胡萝卜素的工程菌MG1655*-βC，其液体培养产量为18.6±5.6 nmol/g湿重。通过灌胃给予野生型及CMOI敲除小鼠不同剂量和次数的菌株方案，并采用HPLC检测各组织中的β-胡萝卜素含量。结果显示，在CMOI敲除小鼠中，肠黏膜β-胡萝卜素达9.3±1.9 pmol/g，血清为22.3±3.7 nmol/L，肝脏为96.7±42.8 nmol/g，证明肠道定殖的工程菌能原位合成β-胡萝卜素并递送至宿主组织；而野生型小鼠血清和肝脏中未检出该物质。不同给药方案对血清和肝脏浓度无显著影响，但高剂量单次给药组粪便中β-胡萝卜素显著更高。此外，pAC-BETA质粒在无氯霉素选择压力下不稳定，且所达到的组织浓度仍偏低，接近维生素A缺乏人群的血浆水平。该研究首次在体内验证了利用肠道益生菌作为维生素A递送载体的可行性，但需进一步优化产量和质粒稳定性方能应用于实际治疗。
创新点
首次在体内证明肠道定殖的工程菌株能够原位合成β-胡萝卜素并被宿主吸收递送至血清和肝脏；采用肠道适应株MG1655*增强定殖能力；系统比较了不同给药方案对组织β-胡萝卜素含量的影响。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli MG1655*（肠道适应自发突变株） | β-胡萝卜素合成通路 | crtE | 香叶基香叶基焦磷酸合酶 (GGPP synthase) | 催化 | 来自Erwinia herbicola，由pAC-BETA质粒携带 |
| Escherichia coli MG1655*（肠道适应自发突变株） | β-胡萝卜素合成通路 | crtB | 八氢番茄红素合酶 (phytoene synthase) | 催化 | 来自Erwinia herbicola，由pAC-BETA质粒携带 |
| Escherichia coli MG1655*（肠道适应自发突变株） | β-胡萝卜素合成通路 | crtI | 八氢番茄红素脱饱和酶 (phytoene desaturase) | 催化 | 来自Erwinia herbicola，由pAC-BETA质粒携带 |
| Escherichia coli MG1655*（肠道适应自发突变株） | β-胡萝卜素合成通路 | crtY | 番茄红素环化酶 (lycopene cyclase) | 催化 | 来自Erwinia herbicola，由pAC-BETA质粒携带 |
| 小鼠（C57BL/6 × sv129） | 维生素A代谢（β-胡萝卜素裂解） | BcmO1 (CMOI) | β-胡萝卜素15,15'-加氧酶 (CMOI) | 催化 | 野生型小鼠肠道高表达该酶；CMOI敲除小鼠用于保留完整β-胡萝卜素以便检测 |
关键发现
产β-胡萝卜素工程菌MG1655*-βC液体培养产量为18.6±5.6 nmol/g湿重，上清浓度为1.2±0.5 µmol/L，但过滤后不可检测，表明β-胡萝卜素主要与细胞结合。在野生型小鼠LD-1方案下，粪便中持续检出细菌和β-胡萝卜素，肠黏膜含量为13.0±11.0 pmol/g，但血清和肝脏中未检出。在CMOI-/-小鼠LD-1方案下，肠黏膜β-胡萝卜素为9.3±1.9 pmol/g，血清为22.3±3.7 nmol/L，肝脏为96.7±42.8 nmol/g。不同给药方案（LD-1、HD-1、HD-2、MD）对血清和肝脏β-胡萝卜素浓度无显著差异，但HD-1组粪便β-胡萝卜素浓度显著高于LD-1和HD-2组。HD-2方案下，粪便中MG1655*-βC定殖量为10^7-10^8 CFU/g，小肠黏膜10^6-10^7 CFU/g，盲肠>10^8 CFU/g，结肠10^5-10^6 CFU/g。pAC-BETA质粒在无氯霉素选择压力下不稳定。
研究结论
肠道定殖的产β-胡萝卜素工程菌能够在小鼠肠道内原位合成β-胡萝卜素并将其递送至血清和肝脏等组织，首次验证了利用益生菌作为维生素A递送载体的可行性；但所达到的组织浓度仍偏低（接近维生素A缺乏人群血浆水平），需进一步优化细菌产量和给药方案，并解决质粒稳定性问题，才能为治疗维生素A缺乏提供实用策略。