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上週關於陰道內細菌成分變化的帖子引起了廣泛關注，並且目前關於人類微生物組（所有生活在人體內的細菌）的討論很多，所以我認為我會堅持這個主題。本週的帖子是關於細菌如何分解人類食用的營養物質並利用它們來製造自己的食物。
來自 PLoS One 的論文（參考文獻 1 如下）專注於碳水化合物。首先介紹一些生物化學背景：碳水化合物是由碳、氫和氧（因此得名）專門組成的分子。這三種分子排列成環狀結構，用於簡單的碳水化合物，如葡萄糖，這些環連線在一起形成長而複雜的分支鏈，用於複雜的碳水化合物，如澱粉和纖維素。
簡單的碳水化合物，如上圖所示的葡萄糖，很容易代謝，可用於為 ATP（細胞用於能量的分子）提供能量，或用於蛋白質的合成。更復雜的碳水化合物，如澱粉或纖維素（如下所示），則需要更多的努力，因為它們需要分解成其組成部分的簡單糖才能被處理。為了分解它們，細菌使用一組特定的酶，稱為 CAZymes，代表“碳水化合物活性酶”。由於酶在其分解的分子中非常專門化，因此對於不同的複雜碳水化合物存在不同的 CAZymes。
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不同的細菌會有不同的 CAZymes，但 PLoS 論文旨在回答的一個有趣的問題是 CAZymes 的模式如何在全身變化。你體內不僅僅有一種細菌，而是許多種，每種細菌與其周圍的細菌都有不同的關係。這不太像你體內的細菌群落，而更像一個組織混亂的野生動物園，不同的物種彼此靠近地聚集在一起，依賴於它們碰巧居住在身體哪個部位的可用資源。
研究人員比較了與人體外部和內部五個不同部位相關的 493 個細菌基因組的碳水化合物消化能力。當他們試圖按物種計算 CAZymes 的數量和分佈時，他們很快遇到了困難。一些細菌科，如芽孢桿菌科，平均有 25 種糖裂解酶，標準偏差為 3.3（對於外行來說，標準偏差衡量每個個體接近平均值的可能性）。另一方面，梭菌科細菌科平均有 56 種糖裂解酶，但標準偏差為 79！除了顯示物種間的大差異外，這也使得難以根據細菌的碳水化合物消化能力來預測細菌之間的相關性。
由於比較物種似乎沒有產生特別簡潔的結果，研究人員隨後轉向按細菌棲息地比較 CAZymes。與人類以及幾乎所有真核生物不同，細菌不僅將基因傳遞給後代，還可以將基因傳遞給附近的“朋友”。毫不奇怪，生活在身體同一部位的細菌往往比物種相關性更高的細菌具有更相似的碳水化合物消化酶。總體而言，研究人員發現了四種主要的碳水化合物利用模式
1) 鼻子和鼻腔中的細菌 - 毫不奇怪，這些細菌往往幾乎沒有碳水化合物代謝能力（很少有人吸入澱粉）
2) 陰道中的細菌 - 這些細菌傾向於分解更多的簡單糖，並且還具有碳水化合物形成酶，以便建立生物膜
3) 口腔中的細菌 - 這些細菌具有廣泛的碳水化合物消化酶，以便分解卡在牙齒中的食物殘渣。研究人員還發現了三種用於代謝葡聚糖的酶，這可能是口腔細菌特有的，並且似乎是牙菌斑形成的標誌。
4) 腸道中的細菌 - 這是碳水化合物消化的主要力量所在！腸道細菌不僅有大量的 CAZymes 用於消化人類碳水化合物，而且還有一系列用於處理植物碳水化合物的 CAZymes。許多這些細菌具有形成纖維素酶體的能力 - 纖維素消化酶的大型複合物，所有這些酶都由支架蛋白結合在一起。
想到細菌生活在您身體的許多部位 - 佔據您的空間並吃掉您的食物 - 可能會有點奇怪，但實際上，如果發現它們不存在，那會更令人驚訝。地球上幾乎每個表面都有細菌存在，而人類是如此溫暖、潮溼、營養豐富的表面，以至於它們為大量的細菌物種提供了良好的生存環境。
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Cantarel BL, Lombard V, & Henrissat B (2012)。健康人體微生物組對複雜碳水化合物的利用。《公共科學圖書館·綜合》，7 (6) PMID: 22719820