本文发表于《大众科学》的前博客网络，仅反映作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点。
上周关于阴道内细菌成分变化的帖子引起了广泛关注，并且目前关于人类微生物组（所有生活在人体内的细菌）的讨论很多，所以我认为我会坚持这个主题。本周的帖子是关于细菌如何分解人类食用的营养物质并利用它们来制造自己的食物。
来自 PLoS One 的论文（参考文献 1 如下）专注于碳水化合物。首先介绍一些生物化学背景：碳水化合物是由碳、氢和氧（因此得名）专门组成的分子。这三种分子排列成环状结构，用于简单的碳水化合物，如葡萄糖，这些环连接在一起形成长而复杂的分支链，用于复杂的碳水化合物，如淀粉和纤维素。
简单的碳水化合物，如上图所示的葡萄糖，很容易代谢，可用于为 ATP（细胞用于能量的分子）提供能量，或用于蛋白质的合成。更复杂的碳水化合物，如淀粉或纤维素（如下所示），则需要更多的努力，因为它们需要分解成其组成部分的简单糖才能被处理。为了分解它们，细菌使用一组特定的酶，称为 CAZymes，代表“碳水化合物活性酶”。由于酶在其分解的分子中非常专门化，因此对于不同的复杂碳水化合物存在不同的 CAZymes。
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不同的细菌会有不同的 CAZymes，但 PLoS 论文旨在回答的一个有趣的问题是 CAZymes 的模式如何在全身变化。你体内不仅仅有一种细菌，而是许多种，每种细菌与其周围的细菌都有不同的关系。这不太像你体内的细菌群落，而更像一个组织混乱的野生动物园，不同的物种彼此靠近地聚集在一起，依赖于它们碰巧居住在身体哪个部位的可用资源。
研究人员比较了与人体外部和内部五个不同部位相关的 493 个细菌基因组的碳水化合物消化能力。当他们试图按物种计算 CAZymes 的数量和分布时，他们很快遇到了困难。一些细菌科，如芽孢杆菌科，平均有 25 种糖裂解酶，标准偏差为 3.3（对于外行来说，标准偏差衡量每个个体接近平均值的可能性）。另一方面，梭菌科细菌科平均有 56 种糖裂解酶，但标准偏差为 79！除了显示物种间的大差异外，这也使得难以根据细菌的碳水化合物消化能力来预测细菌之间的相关性。
由于比较物种似乎没有产生特别简洁的结果，研究人员随后转向按细菌栖息地比较 CAZymes。与人类以及几乎所有真核生物不同，细菌不仅将基因传递给后代，还可以将基因传递给附近的“朋友”。毫不奇怪，生活在身体同一部位的细菌往往比物种相关性更高的细菌具有更相似的碳水化合物消化酶。总体而言，研究人员发现了四种主要的碳水化合物利用模式
1) 鼻子和鼻腔中的细菌 - 毫不奇怪，这些细菌往往几乎没有碳水化合物代谢能力（很少有人吸入淀粉）
2) 阴道中的细菌 - 这些细菌倾向于分解更多的简单糖，并且还具有碳水化合物形成酶，以便建立生物膜
3) 口腔中的细菌 - 这些细菌具有广泛的碳水化合物消化酶，以便分解卡在牙齿中的食物残渣。研究人员还发现了三种用于代谢葡聚糖的酶，这可能是口腔细菌特有的，并且似乎是牙菌斑形成的标志。
4) 肠道中的细菌 - 这是碳水化合物消化的主要力量所在！肠道细菌不仅有大量的 CAZymes 用于消化人类碳水化合物，而且还有一系列用于处理植物碳水化合物的 CAZymes。许多这些细菌具有形成纤维素酶体的能力 - 纤维素消化酶的大型复合物，所有这些酶都由支架蛋白结合在一起。
想到细菌生活在您身体的许多部位 - 占据您的空间并吃掉您的食物 - 可能会有点奇怪，但实际上，如果发现它们不存在，那会更令人惊讶。地球上几乎每个表面都有细菌存在，而人类是如此温暖、潮湿、营养丰富的表面，以至于它们为大量的细菌物种提供了良好的生存环境。
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Cantarel BL, Lombard V, & Henrissat B (2012)。健康人体微生物组对复杂碳水化合物的利用。《公共科学图书馆·综合》，7 (6) PMID: 22719820