植物基因工程：为婴儿配方奶粉带来革命性变化

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植物基因工程：为婴儿配方奶粉带来革命性变化

近年来，科学家们在基因工程领域取得了显著进展，尤其是在通过植物生产人类母乳中的益生元糖分子方面。这些糖分子被称为人乳低聚糖（HMOs），它们在婴儿的健康和发育中扮演着至关重要的角色。然而，商业婴儿配方奶粉中很难复制这些复杂的糖分子。新的研究表明，植物可能是完美的制造者。研究人员已经编程了烟草的近亲Nicotiana benthamiana植物，使其能够生产人类母乳中的益生元糖分子。这一突破可能为婴儿配方奶粉和非乳制品植物奶的生产带来革命性变化。

人乳低聚糖在婴儿配方奶粉中的重要性

人乳低聚糖（HMOs）是母乳中一种独特的碳水化合物混合物，具有多种健康益处。母乳中含有大约200种不同的HMOs，这些糖分子不仅有助于预防疾病，还支持健康肠道细菌的生长。全球约有75%的婴儿在生命的前六个月饮用婴儿配方奶粉，但这些配方奶粉目前无法复制母乳的完整营养成分。现有的婴儿配方奶粉中可能只含有一种或两种重要的碳水化合物，远远不能满足婴儿的营养需求。

科学家们正在利用基因工程技术使植物生产人乳化合物，以期改善婴儿配方奶粉的营养成分。尽管微生物发酵等其他方法已经存在多年，但这些方法只能生产少量的、较简单的HMOs。植物具有高度发达的生物途径，通过光合作用生产碳水化合物，研究人员利用这些途径合成了11种不同的HMOs，包括复杂的岩藻糖基化HMOs，这些化合物通过其他方法难以制造。

基因工程Nicotiana benthamiana植物

2024年6月20日，来自加利福尼亚大学伯克利分校和加利福尼亚大学戴维斯分校的科学家们领导的一项研究展示了通过基因工程改造植物生产人类母乳中益生元糖的潜力。该研究结果发表在《自然食品》杂志上，可能为生产更健康的非乳制植物奶替代品提供重要见解。研究团队通过基因工程改造了负责生成人类母乳低聚糖的基因，并将这些基因引入烟草植物中，以生产11种已知的人类母乳低聚糖以及其他具有类似连接模式的复杂糖类。

研究的高级作者、加利福尼亚大学伯克利分校植物与微生物生物学助理教授Patrick Shih表示：“据我所知，还没有人能够在单一生物体中同时制造这三大类人类母乳低聚糖。”研究还发现，从植物中工业化生产人类母乳低聚糖的成本可能比使用微生物平台更便宜。

植物生产与细菌生产的比较

本文探讨了婴儿肠道中微生物糖苷水解酶在生命第一年中的存在及其重要性。婴儿肠道微生物群在生命的第一年内逐渐发展并趋于稳定，类似于成人的肠道微生物群。母乳喂养被认为是婴儿营养的“黄金标准”，不仅直接影响婴儿健康，还通过调节肠道微生物群间接影响。母乳中含有不可消化的碳水化合物，即人乳低聚糖（HMOs），这些碳水化合物被肠道微生物利用。

研究发现，能够降解HMOs的细菌如长双歧杆菌、双歧双歧杆菌和短双歧杆菌在母乳喂养期间占据婴儿肠道微生物群的主导地位。婴儿肠道中发现并鉴定出多种碳水化合物活性酶，支持这些细菌能够降解HMOs的假设。通过资源共享和交叉喂养，HMOs的初始利用驱动了肠道微生物群落之间的相互作用，这对健康发育至关重要。

随着宏基因组数据的出现，越来越多的研究揭示了整个生态系统的代谢能力，从而增加了对婴儿肠道微生物群如何组装的理解，并使其成为支持健康成长的潜在目标。本文基于公开的宏基因组数据，讨论了与HMO利用相关的碳水化合物活性酶在生命第一年中的共现和功能，并比较了母乳喂养和配方奶喂养婴儿的酶谱。研究表明，母乳喂养婴儿的肠道微生物群中与HMO降解相关的酶更为丰富，而配方奶喂养婴儿的肠道微生物群则更为多样。固体食物的引入也会使婴儿的微生物群向更接近成人的状态转变。

总之，母乳和替代喂养在婴儿肠道微生物群的组成和功能上施加了不同的压力，影响了其代谢产物和微生物群的成熟过程。

人乳低聚糖的健康益处

科学家们成功地基因改造了一种与烟草植物近缘的植物，使其能够生成人类母乳中的营养成分。这项技术有望为婴儿配方奶粉提供更接近母乳健康益处的替代品。研究表明，经过基因改造的Nicotiana benthamiana植物可以生产复杂的糖类——人乳低聚糖（HMOs），这些糖类能够促进健康的肠道细菌生长，并对婴儿的免疫系统有益。

领导这项研究的加利福尼亚大学伯克利分校的植物和微生物生物学家Patrick Shih博士表示，这项技术的目标是能够在单一植物中生产所有的人乳低聚糖，然后将其提取并添加到婴儿配方奶粉中。目前，少量的HMOs可以通过工程化的大肠杆菌生产，但这种方法成本高且难以大规模生产。最新研究中，科学家们重新编程了植物的制糖机制，插入了生产特定酶的基因，使植物能够生成11种已知的HMOs。

这项研究不仅有望为婴儿提供更健康、更实惠的配方奶粉，还可能为成人提供更营养的非乳制植物奶。其他科学团队也在研究基于HMO的药物的潜力。

未来展望

尽管这项研究取得了显著进展，但要使植物生产的HMOs商业化仍需大量开发工作，包括优化产量、验证的提取平台以及对种植转基因植物的监管批准。此外，还需要更多的研究来了解这些化合物的补充如何改善婴儿营养。

科学家们正在不断努力，以期通过基因工程技术使植物生产人乳化合物，从而改善婴儿配方奶粉的营养成分。这一突破不仅有望为婴儿提供更健康的营养，还可能为成人提供更营养的非乳制植物奶。随着技术的不断进步，我们有理由相信，未来的婴儿配方奶粉将更加接近母乳的营养价值，为全球数百万婴儿带来更好的健康保障。

综合总结

通过基因工程改造植物生产人类母乳中的益生元糖分子，这一研究为婴儿配方奶粉和非乳制品植物奶的生产带来了革命性变化。人乳低聚糖（HMOs）在婴儿的健康和发育中扮演着至关重要的角色，但商业婴儿配方奶粉中很难复制这些复杂的糖分子。新的研究表明，植物可能是完美的制造者。研究人员已经编程了烟草的近亲Nicotiana benthamiana植物，使其能够生产人类母乳中的益生元糖分子。这一突破可能为婴儿配方奶粉和非乳制品植物奶的生产带来革命性变化。

通过基因工程技术，科学家们成功地使植物生产人乳低聚糖，这些糖分子能够促进健康的肠道细菌生长，并对婴儿的免疫系统有益。尽管这项研究取得了显著进展，但要使植物生产的HMOs商业化仍需大量开发工作，包括优化产量、验证的提取平台以及对种植转基因植物的监管批准。此外，还需要更多的研究来了解这些化合物的补充如何改善婴儿营养。

总之，基因工程植物生产人乳低聚糖的研究为婴儿配方奶粉和非乳制品植物奶的生产带来了新的希望。随着技术的不断进步，我们有理由相信，未来的婴儿配方奶粉将更加接近母乳的营养价值，为全球数百万婴儿带来更好的健康保障。