益生菌基因組學(xué)在乳酸菌篩選和功能評價中的應(yīng)用

劉文俊，張和平

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 乳品生物技術(shù)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部奶制品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)蒙古自治區(qū)乳品生物技術(shù)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 乳酸菌與發(fā)酵乳制品省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心 呼和浩特 010018）

益生菌被廣泛應(yīng)用于乳制品、發(fā)酵食品、飲料、膳食補(bǔ)充劑、活菌藥物、化妝品、動物微生態(tài)制劑和微生物菌肥等不同的產(chǎn)品中，已經(jīng)發(fā)展為產(chǎn)值超過千億元人民幣的朝陽產(chǎn)業(yè)[1]。近年來，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，益生菌促進(jìn)宿主健康特性背后的分子機(jī)制也逐漸被揭示出來，這些機(jī)理、機(jī)制的發(fā)現(xiàn)大大增加了人們對益生菌的認(rèn)識，為益生菌的應(yīng)用拓寬了范圍?；蚪M學(xué)和功能基因組學(xué)以及高通量測序技術(shù)的出現(xiàn)，使人們對益生菌的產(chǎn)業(yè)化用途和代謝特性有了廣泛的了解，這有助于發(fā)現(xiàn)新的值得探索的益生菌應(yīng)用領(lǐng)域和潛力。2009 年，一門名為益生菌基因組學(xué)（Probiogenomics）的新學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生[2]。益生菌基因組學(xué)旨在深入了解益生菌的多樣性，揭示其促進(jìn)宿主健康特性的分子機(jī)制[3]。全基因組測序、基因組數(shù)據(jù)挖掘和比較基因組學(xué)為了解微生物遺傳內(nèi)涵、差異和相似性提供了新的見解，并為可能的基因功能挖掘提供重要線索。

近年來，乳酸菌基因組信息呈爆發(fā)式增長態(tài)勢，在公共數(shù)據(jù)平臺發(fā)布的乳酸菌全基因組數(shù)量已經(jīng)達(dá)到8 萬余個（圖1），這些基因組信息對研究人員認(rèn)識乳酸菌的生理特征、有益功能、工業(yè)化加工特性的分子機(jī)制具有重要作用。益生菌基因組學(xué)結(jié)合體內(nèi)、外隨機(jī)對照試驗(yàn)，對發(fā)現(xiàn)新的益生菌菌株和表征益生乳酸菌的新功能發(fā)揮著越來越大的作用。益生菌基因組學(xué)和計(jì)算機(jī)深度機(jī)器學(xué)習(xí)模型相結(jié)合的分析技術(shù)已應(yīng)用于益生菌可視化篩選、預(yù)測[4]，益生乳酸菌安全相關(guān)特征的表征（比如：毒力因子、溶血素基因、抗菌素耐藥基因和可移動原件）等方面取得了重要的研究成果[5]。鑒于此，有必要及時總結(jié)乳酸菌基因組學(xué)研究的最新進(jìn)展，并基于基因組分析技術(shù)了解乳酸菌的產(chǎn)業(yè)化相關(guān)特征。本文從基因組學(xué)的角度論述益生乳酸菌（特別是工業(yè)化應(yīng)用乳酸菌）相關(guān)的益生特性、生理生化等表型差異形成的分子機(jī)制。綜述乳酸菌基因組學(xué)和依托基因組大數(shù)據(jù)的深度機(jī)器學(xué)習(xí)模型，以及人工智能技術(shù)在優(yōu)良乳酸菌的篩選和功能評價中的應(yīng)用研究進(jìn)展，以期為乳酸菌篩選，益生菌基因組和健康食品領(lǐng)域的研究提供新的見解。

圖1 乳酸菌基因組數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.1 Quantitative statistics of lactic acid bacteria genome

1 乳酸菌基因組學(xué)研究進(jìn)展

1.1 乳酸菌的種屬

乳酸菌是指發(fā)酵可利用的碳水化物形成以乳酸為主產(chǎn)物的一類細(xì)菌的總稱，它不是一個分類學(xué)上的名稱，包含大量的種屬，來源廣泛，存在于各種棲息環(huán)境，包括乳制品、肉制品、蔬菜、谷物和植物環(huán)境以及人和動物腸道[6]。乳酸菌種屬內(nèi)異質(zhì)性非常豐富，在過去，乳酸菌常見屬主要有：乳桿菌屬（Lactobacillus）、乳球菌屬（Lactococcus）、雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）、明串珠菌屬（Leuconostoc）、片球菌屬（Pediococcus）、酒球菌屬（Oenococcus）、魏斯氏菌屬（Weissella）、鏈球菌屬（Streptoeoccus）、腸球菌屬（Enterococcus）和肉食菌屬（Caroobaelerium）等[7]。2020 年，依據(jù)基因組核心基因系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系、（保守的）成對平均氨基酸一致性，分支特異性特征基因、生理生化指標(biāo)和菌株的棲息地生態(tài)學(xué)等特征等將乳桿菌屬重新劃分為25個屬[8]，包括修訂后的乳桿菌屬、Paralactobacilus 和23 個新屬。目前，原乳桿菌屬已包含332 個種和亞種，如表1 所示。在過去，乳酸菌主要應(yīng)用于乳制品工業(yè)和其它食品的發(fā)酵?，F(xiàn)在，乳酸菌被廣泛應(yīng)用于各種飲料、酸奶或其它以特定健康益處為賣點(diǎn)的產(chǎn)品中。近年來，隨著對益生菌促進(jìn)人體健康作用研究的深入，乳酸菌成為食品工業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的動力源泉，是食品工業(yè)研究的熱點(diǎn)[9]。

表1 乳桿菌修訂后的屬包含種的數(shù)量及其模式種Table 1 The number of species in the emended genus of Lactobacillus and its type

1.2 乳酸菌群體基因組研究

基因組的概念最早是由德國漢堡大學(xué)植物學(xué)家Winkler 于上世紀(jì)20 年代提出，隨著科學(xué)家對生物體基因?qū)用嫜芯康纳钊耄蚪M研究范圍逐漸擴(kuò)大，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為一門綜合性學(xué)科[10]?；蚪M學(xué)是以某個生物體的全部基因作為研究對象，以分子生物學(xué)為基礎(chǔ)，通過全基因組序列分析，利用計(jì)算機(jī)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及相關(guān)生物學(xué)技術(shù)等手段，研究生物系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能及進(jìn)化的科學(xué)，包括結(jié)構(gòu)基因組學(xué)、功能基因組學(xué)和比較基因組學(xué)3 個分支[11]。第1 個細(xì)菌基因組流感嗜血桿菌（Haemophilus influenzae）的序列發(fā)表于1995年，開啟了微生物的基因組學(xué)研究時代[12]。乳酸乳球菌IL1403 基因組于2001 年發(fā)布，是首次報道的乳酸菌基因組序列[13]。2008 年筆者及研究團(tuán)隊(duì)完成了國內(nèi)第1 株益生乳酸菌L.casei Zhang 的全基因組測序工作，開啟了國內(nèi)益生乳酸菌基因組、蛋白質(zhì)組學(xué)研究的序幕[14]。2015 年，在國際上首次完成了乳桿菌屬、雙歧桿菌屬等8 個屬289個模式菌株基因組的解析，揭示乳酸菌不同物種分化伴隨的功能基因進(jìn)化歷程，發(fā)現(xiàn)了乳糖代謝和蛋白水解等代謝特征與棲息環(huán)境適應(yīng)性密切相關(guān)的規(guī)律，開創(chuàng)了乳酸菌群體基因組研究的先河[15]。自2018 年，筆者研究團(tuán)隊(duì)啟動“乳酸菌萬株基因組計(jì)劃”以來，已經(jīng)完成了德氏乳桿菌（Lactobacillus delbrueckii）[16]、植物乳植桿菌（Lactiplantibacillus plantarum）[17]和嗜熱鏈球菌嗜熱亞種（Streptococcus thermophilus）[18]等17 897 株乳酸菌基因組的解析，闡明了乳酸菌適應(yīng)生態(tài)位發(fā)生還原性衰退的群體進(jìn)化規(guī)律?；诖?，建成了全球最大的乳酸菌基因組數(shù)據(jù)庫（https：//www.imhpc.com/iLABdb），收錄81 638 個基因組序列，旨在為乳酸菌基因組的深入分析、可視化和共享提供一個可訪問的平臺，為乳酸菌的遺傳進(jìn)化、功能基因解析和代謝通路挖掘提供幫助[19]。通過基因組學(xué)研究對乳酸菌進(jìn)化、分化歷程有了更深入的了解。早期的微生物基因組分析表明：基因組的研究內(nèi)容通常反映生物體的代謝、生理、生物合成能力以及對不同條件和環(huán)境的適應(yīng)性。乳酸菌基因組學(xué)的研究徹底改變了人們對其代謝過程、生物加工能力的認(rèn)識，以及了解其在人類身體健康和心理健康方面的潛在作用[20]。

1.2.1 乳酸菌比較基因組學(xué) 比較基因組學(xué)是通過比較不同物種或個體的基因組來揭示它們之間相似性和差異性的學(xué)科[21]。在乳酸菌基因組分析中，比較基因組學(xué)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，為深入理解乳酸菌的生物學(xué)特性、進(jìn)化、分化歷程以及生態(tài)適應(yīng)性提供了豐富的信息。通過比較不同乳酸菌菌株的基因組，揭示它們之間的遺傳多樣性，包括單核苷酸多態(tài)性（SNPs）、插入缺失（Indels）等變異類型，為研究群體內(nèi)部和群體間的遺傳結(jié)構(gòu)、演化動態(tài)提供基礎(chǔ)[22]。Sun 等[15]通過對乳桿菌屬213 株模式株的基因組精細(xì)圖譜進(jìn)行測序，發(fā)現(xiàn)乳桿菌屬基因組多樣性豐富，接近于“科”的水平。比較基因組學(xué)還能夠識別和注釋基因組中的功能元件，如基因、蛋白質(zhì)、RNA 等。通過比較乳酸菌的基因組，可以識別與代謝途徑、生態(tài)適應(yīng)性等相關(guān)的基因，有助于了解乳酸菌在不同環(huán)境中的適應(yīng)性和代謝特征。此外，比較相關(guān)物種或不同菌株的基因組，推斷它們的進(jìn)化關(guān)系和演化歷史，為了解乳酸菌的起源、分化以及與其它微生物的關(guān)系提供分子生物學(xué)信息。群體基因組研究發(fā)現(xiàn)德氏乳桿菌保加利亞亞種（Lactobacillus delbrueckii subsp.bulgaricus）群體可劃分為4 個分支，且具有較高的遺傳多樣性和重組異質(zhì)性[16]。Zhao 等[18]對嗜熱鏈球菌嗜熱亞種（Streptococcus thermophilus）進(jìn)行全基因組測序，發(fā)現(xiàn)其遺傳進(jìn)化具有地域和分離源相關(guān)性。通過比較基因組分析，還可以鑒定出具有特定性狀或功能的關(guān)鍵基因，對選擇優(yōu)良菌株、代謝工程或改良乳酸菌的性狀具有指導(dǎo)意義，如：改進(jìn)乳制品發(fā)酵過程，增強(qiáng)菌株對特定環(huán)境的適應(yīng)性等。總之，比較基因組學(xué)在乳酸菌研究中的應(yīng)用，提供了全面的遺傳信息，推動了研究人員對乳酸菌生物學(xué)特性和應(yīng)用潛力的深入了解。

1.2.2 乳酸菌功能基因組學(xué) 功能基因組學(xué)，又稱后基因組學(xué)，是指以全基因組測序技術(shù)得到的基因組序列為基礎(chǔ)，利用公共數(shù)據(jù)庫進(jìn)行功能基因注釋，通過解析基因圖譜來預(yù)測基因及其產(chǎn)物的功能，解析不同生態(tài)位菌種的代謝機(jī)制，將功能基因與菌株表型特性相關(guān)聯(lián)[23]。近年來，隨著乳酸菌資源收集保護(hù)數(shù)量的增加和基因組數(shù)據(jù)的積累，功能基因的深度挖掘也逐漸展開。Suzuki 等[24]通過對植物乳植桿菌（Lactiplantibacillus plantarum LOC1）的功能基因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該菌株具有與磷壁酸和脂蛋白生物合成相關(guān)的黏附因子基因，這部分基因參與菌株的免疫調(diào)節(jié)。功能基因組學(xué)不僅可以幫助人們了解不同生態(tài)位乳酸菌對其生長環(huán)境的反應(yīng)，對于了解乳酸菌在自然發(fā)酵和工業(yè)化發(fā)酵中的適應(yīng)性以及它們與人類宿主的相互作用具有重要意義。此外，還可以通過功能基因組學(xué)分析，實(shí)現(xiàn)潛在的益生乳酸菌的挖掘。2022年，Sun 等[25]對44 株植物乳植桿菌（Lactiplantibacillus plantarum）的功能基因組進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)菌株的抗氧化活性、黏附活性和在模擬胃腸道環(huán)境中的生存能力分別與抗氧化酶編碼基因、細(xì)胞表面蛋白編碼基因和應(yīng)激反應(yīng)基因密切相關(guān)。菌株中存在的功能基因的數(shù)量可能決定它們在益生菌評估中的表現(xiàn)。

1.3 基因組學(xué)技術(shù)在益生乳酸菌研究中的應(yīng)用

我國益生菌的定義是：活的微生物，當(dāng)攝入充足量時，對宿主產(chǎn)生健康益處[26]。益生菌要具體到“株”的水平，每個益生菌菌株都應(yīng)具有相應(yīng)的菌株號。特指食品范疇的有益微生物，1 個菌株，不管其來源如何，只有進(jìn)行分類學(xué)上的鑒定、安全性評價及功能試驗(yàn)后，符合益生菌的概念，才能稱為益生菌[27]。基于全基因組測序技術(shù)的平均核苷酸一致性、單核苷酸多態(tài)性、核心基因或全基因組多位點(diǎn)序列分型，正成為乳酸菌的精準(zhǔn)鑒定的主要標(biāo)準(zhǔn)。菌株分類學(xué)精準(zhǔn)鑒定是益生菌評價中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。大多數(shù)益生菌是由乳酸菌篩選評價而來，在我國衛(wèi)生健康委員會公布的《可用于食品中添加的菌株名單》 中乳桿菌和雙歧桿菌是最主要的菌株。益生菌的篩選和確定的10 個標(biāo)準(zhǔn)包括：明確的益生菌定義、活菌、對菌株有充分的了解、菌株不含抗生素耐藥基因、能在胃腸道存活并定殖、菌株與腸道菌群產(chǎn)生有益互作、菌株安全可靠[28]。益生乳酸菌對人類或動物的健康有有益的影響，近來也被證明具有預(yù)防或治療某些疾病的能力。

1.3.1 基因組學(xué)在益生乳酸菌安全性評價中的應(yīng)用 乳酸菌應(yīng)用歷史悠久、安全，被認(rèn)為是一般安全的（Generally regarded as safe，GRAS）物種[29]。幾十年來，乳酸菌在傳統(tǒng)食品和發(fā)酵產(chǎn)品，比如：酸奶、泡菜、香腸和飲料等中得到廣泛的應(yīng)用。然而，隨著益生菌乳酸菌應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，安全性問題日益受到關(guān)注，可能出現(xiàn)嚴(yán)重感染、耐藥基因轉(zhuǎn)移等不良反應(yīng)。因此，工業(yè)化應(yīng)用前，對所選擇的菌株和發(fā)酵食品的安全性評價仍然是乳酸菌篩選和研究的一個關(guān)鍵任務(wù)。由于安全性是首要考慮的問題，因此菌株特性信息應(yīng)集中于鑒定產(chǎn)品中所有細(xì)菌菌株的潛在不良特性上。除其遺傳背景外，菌株特征信息應(yīng)包括有關(guān)毒力因子或毒素和抗菌素抗性基因存在的詳細(xì)信息[30]。目前，體外檢測仍是評估乳酸菌特性的主要方法。然而，在食品安全概念不斷發(fā)展的背景下，這些方法不能滿足高通量快速的菌株風(fēng)險評估的需要。分析完整的遺傳信息，包括潛在的毒力基因和對健康有負(fù)面影響等其它決定因素，可以評估菌株在產(chǎn)品中的使用安全性，為此可以采用乳酸菌單菌株的全基因組測序（Whole genomics sequencing，WGS）進(jìn)行研究。全基因組生物信息學(xué)分析是一種理想的，具有低成本、高效益的菌株特性評價方法，用于微生物安全風(fēng)險評估。同時，該技術(shù)也可以增加人們對食品安全和益生乳酸菌特性評估的了解。全基因組測序方法能夠提供菌株基因組成的全部信息，不僅針對毒力和耐藥性潛力，而且還表明菌株特異性特征，包括用于專利保護(hù)的代謝和系統(tǒng)基因組標(biāo)記等[31-32]?；蚪M測序技術(shù)也可以對質(zhì)粒、噬菌體、整合子和轉(zhuǎn)座子介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移潛力進(jìn)行額外的評估和CRISPR 分析，為基因組穩(wěn)定性提供初步證據(jù)。研究人員應(yīng)將注意力轉(zhuǎn)向解決編碼具有安全風(fēng)險的遺傳因素轉(zhuǎn)移到其他生物體而造成潛在安全風(fēng)險的問題。因此，在益生菌篩選中應(yīng)采用具有低成本、高收益的全基因組測序技術(shù)作為常規(guī)步驟，并與表型研究聯(lián)合應(yīng)用，作為益生菌乳酸菌安全性評估的先進(jìn)的評估準(zhǔn)則[33]。

1.3.2 基因組學(xué)在益生乳酸菌代謝產(chǎn)物研究中的應(yīng)用 微生物細(xì)胞內(nèi)、外產(chǎn)生的初級代謝物、信號分子激素和次級代謝物是其生理生化特征表型的直接證據(jù)，也能反映菌株對宿主代謝的影響。微生物代謝組研究不僅能闡明各種代謝途徑的網(wǎng)絡(luò)，揭示其調(diào)控和工程改造靶點(diǎn)，而且可以闡明微生物與宿主之間的互作機(jī)制，因此越來越受到人們的關(guān)注[34]。作為食品發(fā)酵劑或益生菌被廣泛應(yīng)用的乳酸菌，有機(jī)酸、小分子肽以及其它一系列次級代謝產(chǎn)物的研究是優(yōu)良菌株篩選和體現(xiàn)益生特性的重要切入點(diǎn)[35]?；蚪M學(xué)和功能基因組學(xué)以及代謝組學(xué)的深入研究，使得人們對乳酸菌的工業(yè)用途和代謝特性有了廣泛的了解，使得它們成為未來生物精煉中最有希望作為微生物細(xì)胞工廠的候選者[36]。作為生物精煉細(xì)胞工廠，乳酸菌是用于生產(chǎn)大宗和精細(xì)化學(xué)品（包括乳酸、多元醇、維生素和食品添加劑）最有前途的微生物，因?yàn)樗鼈冊诃h(huán)境脅迫下具有穩(wěn)定性和多用途的代謝特性[37]。代謝工程策略設(shè)計(jì)乳酸菌細(xì)胞工廠主要集中在丙酮酸代謝的重構(gòu)，以產(chǎn)生大量重要的終產(chǎn)物，如有機(jī)酸、甜味劑、芳香化合物，以及決定維生素和胞外多糖生產(chǎn)的復(fù)雜生物合成途徑[32，38]。植物乳植桿菌（Lactiplantibacillus plantarum）WCFS1 的基因組分析表明，該菌株具有2 個預(yù)測山梨糖醇-6-磷酸脫氫酶基因（srlD1 和srlD2）。在缺乏L-和D-乳酸脫氫酶活性的突變菌株中，由于srlD 基因的過量表達(dá)，顯著增加了果糖-6-磷酸對山梨醇的糖酵解通量，實(shí)現(xiàn)了山梨醇的高產(chǎn)[39]。Capozzi 等[40]利用有毒核黃素類似物——玫瑰黃素，從硬粒小麥粉樣品中分離出2 株過量生產(chǎn)核黃素的植物乳桿菌。將這2 株菌用于面包和面食的制備，面包和面食中的核黃素含量分別提高了3 倍和2 倍。此外，參與乳酸菌生物合成核黃素的基因已經(jīng)從幾個乳酸菌中鑒定出來，比較基因組分析表明，乳酸菌生物合成核黃素的操縱子具有物種和/或菌株特異性[41]。這些結(jié)果表明，基因組學(xué)和比較基因組學(xué)結(jié)合代謝工程方法可以作為發(fā)現(xiàn)和提高乳酸菌工業(yè)化應(yīng)用潛力的有效工具。

2 基于基因組大數(shù)據(jù)和深度機(jī)器學(xué)習(xí)的益生菌篩選技術(shù)

發(fā)現(xiàn)和評價乳酸菌的益生特性是一個復(fù)雜的過程，菌株從基礎(chǔ)研究走向應(yīng)用需要經(jīng)歷漫長的周期。傳統(tǒng)篩選方法依賴于多次反復(fù)試驗(yàn)，需要大量的人力、物力和財力。益生菌基因組學(xué)分析方法在乳酸菌篩選和安全相關(guān)的遺傳特征（比如：毒力因子、溶血基因、抗生素耐藥基因和移動原件）的分析和預(yù)測方面具有很大的優(yōu)勢[42]?；蚪M大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的出現(xiàn)，不僅體現(xiàn)了它在噪聲數(shù)據(jù)集中挖掘微生物功能基因特征的先天優(yōu)勢，也彰顯出它在乳酸菌益生機(jī)制解析方面的良好應(yīng)用前景。

2.1 益生菌菌株的篩選和確定方法

乳酸菌來源廣泛，菌株之間特性差異大，從不同的棲息地和分離原獲得的乳酸菌中篩選出具有優(yōu)良特性的菌株，是其開發(fā)利用的第1 步。益生乳酸菌從分離、鑒定到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)性工作（圖2）?；隗w內(nèi)和體外試驗(yàn)研究的經(jīng)典方法耗時且成本高，缺乏高通量和比較能力。目前，下一代測序（Next generation sequencing，NGS）技術(shù)因具有節(jié)省勞動力和時間、高通量能力、高豐度以及可用于廣泛研究、記錄遺傳信息等優(yōu)點(diǎn)而越來越受歡迎。隨著測序成本的不斷降低和大量的基因組數(shù)據(jù)公布，益生菌基因組學(xué)與基于隨機(jī)對照試驗(yàn)進(jìn)行的表型評價相結(jié)合，越來越廣泛地應(yīng)用于了解益生菌乳酸菌的特性，有助于發(fā)現(xiàn)未來值得探索的乳酸菌新的潛在應(yīng)用領(lǐng)域[30]。在單菌株全基因組測序技術(shù)的支持下，迄今為止，許多益生乳酸菌菌株已被測序并公開，并且使用基因組方法定義它們的基本特征[31，43-44]。因此，與生物信息學(xué)分析相結(jié)合的益生菌基因組學(xué)可作為研究益生乳酸菌有益特性及其食品安全風(fēng)險評估的一種新穎、經(jīng)濟(jì)的方法。

圖2 益生乳酸菌篩選及功能評價流程Fig.2 Screening and functional evaluation process of probiotic lactic acid bacteria

2.2 人工智能在益生菌篩選中的應(yīng)用進(jìn)展

人工智能篩選技術(shù)是指利用人工智能相關(guān)的技術(shù)和方法，通過對大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理、分析和學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對特定目標(biāo)、性質(zhì)或特性的物質(zhì)、生物體或信息的篩選。國際上，人工智能應(yīng)用最成功的案例當(dāng)屬谷歌的AlphaFold 系統(tǒng)。這個系統(tǒng)利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法精確預(yù)測了蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，甚至可以分析X-射線晶體學(xué)很難解決的楔入細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)[45]。Sabater 等[46]結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)和公共數(shù)據(jù)庫資源，提出了利用蔬菜廢棄物和副產(chǎn)品靶向調(diào)控腸道微生物代謝底物的方法，建立了基于人工智能篩選蔬菜來源益生元的思維框架。目前人工智能在乳酸菌研究領(lǐng)域的應(yīng)用取得了一些重要進(jìn)展，尤其是在篩選和鑒定乳酸菌方面，包括乳酸菌的基因組數(shù)據(jù)分析、藥用價值預(yù)測、代謝產(chǎn)物分析及微生物數(shù)據(jù)分析等方面（圖3）。與此類似，McCoubrey 等[47]利用人工智能建立了精準(zhǔn)益生菌制劑開發(fā)模型，這個模型可以有效預(yù)測濃度如何影響益生副干酪乳桿菌在腸道中的增殖情況。我國西湖大學(xué)的研究者利用人工智能在隊(duì)列橫斷面分析中識別出II 型糖尿病的腸道微生物組特征，成功構(gòu)建了一個具有識別特征的微生物組風(fēng)險評估系統(tǒng)，可被用作糖尿病的診斷、治療和預(yù)防[48]。中國礦業(yè)大學(xué)的研究人員通過人工智能研究健康人腸道菌群、代謝組和身體指數(shù)之間的關(guān)系，利用篩選獲得的差異特征可以有效預(yù)測成人的身體指數(shù)水平[49]。華大研究院的學(xué)者首次通過大樣品基因組測序探索了宿主基因組對口腔微生物的影響，發(fā)現(xiàn)5 個影響口腔微生物組的顯著性位點(diǎn)，并應(yīng)用人工智能探索基因組和微生物對牙周疾病的預(yù)測性能，取得了較好的結(jié)果。

圖3 基于基因組學(xué)技術(shù)乳酸菌的篩選和確定Fig.3 Screening and identification of lactic acid bacteria based on genomics technology

筆者及研究團(tuán)隊(duì)以大量的乳酸菌基因組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用功能基因組學(xué)和深度機(jī)器學(xué)習(xí)方法，通過解析功能基因組特征來篩選潛在的益生乳酸菌菌株，開發(fā)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)模型的益生菌快速篩選平臺iProbiotics（http：//bioinfor.imau.edu.cn/iprobiotics）。為益生菌的篩選和益生機(jī)制的研究提供了新的導(dǎo)向[4]。運(yùn)用該平臺用戶可以根據(jù)自己的數(shù)據(jù)或iProbiotics 的數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索，與全部益生菌基因組序列數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，并進(jìn)行可視化結(jié)果反饋和模型預(yù)測。雖然乳酸菌功能基因組學(xué)的研究仍處于起步階段，但是其廣闊的應(yīng)用前景和強(qiáng)勁的發(fā)展態(tài)勢，已經(jīng)成為益生乳酸菌篩選和機(jī)理、機(jī)制研究等方面極具應(yīng)用價值的手段。

3 結(jié)語

乳酸菌在促進(jìn)人類健康方面的有益作用正陸續(xù)被證實(shí)，其研究熱度和應(yīng)用領(lǐng)域正逐步擴(kuò)大。理想的益生乳酸菌通常能夠抵御產(chǎn)品加工、流通環(huán)節(jié)的脅迫環(huán)境，菌株基因組中豐富的環(huán)境應(yīng)激、表面蛋白和黏附基因可以幫助它們在胃腸道轉(zhuǎn)運(yùn)中存活以保持高的活菌數(shù)。目前報道的幾乎所有益生乳桿菌和雙歧桿菌的初步篩選和特性評價都是基于應(yīng)用技術(shù)穩(wěn)定性的，比如加工耐受性和貯藏穩(wěn)定性；或者基于容易測定的一些表型指標(biāo)，比如：膽鹽耐受性和人工胃腸液存活能力等。然而，益生菌產(chǎn)品的市場監(jiān)管要求已經(jīng)轉(zhuǎn)向明確益生菌有益人類健康的分子機(jī)制。因此，過去關(guān)于益生乳酸菌的經(jīng)典研究方法很難適應(yīng)當(dāng)前快速發(fā)展的益生菌產(chǎn)業(yè)需求和益生菌產(chǎn)品監(jiān)管的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。基于基因組測序和功能分析的“組學(xué)”方法對菌株的益生特性、遺傳背景、生物安全和加工特性等進(jìn)行表征，可能是滿足未來監(jiān)管要求的重要途徑。