微生物代谢组学-肠道微生物代谢组学研究
猪的肠道微生物与宿主营养代谢
猪的肠道微生物与宿主营养代谢猪是一种常见的家畜，其肠道微生物群落对宿主的营养代谢有着重要的影响。
近年来，随着微生物组学的发展，人们对肠道微生物与宿主营养代谢的关系有了更深入的了解。
本文将探讨猪的肠道微生物与宿主营养代谢的关系，以期为提高养猪业生产效率和猪的健康状况提供参考。
猪的生理特征和胃肠道结构与功能为肠道微生物与宿主营养代谢的研究提供了基础。
猪的胃肠道分为口腔、食道、胃、小肠和大肠等部分。
在猪的肠道中，存在着大量的微生物，这些微生物通过与宿主营养代谢的相互作用，影响着猪的健康和生产性能。
肠道微生物对宿主营养物质消化的影响主要表现在以下几个方面。
肠道微生物可以促进猪对饲料中营养物质的消化吸收，尤其是对植物纤维素的分解。
肠道微生物可以合成一些宿主无法合成的维生素和氨基酸，如维生素K、维生素B12等，这些物质对宿主的营养代谢和健康状况至关重要。
肠道微生物对宿主营养代谢酶活性的影响也是不容忽视的。
研究发现，肠道微生物可以调节猪体内一些酶的活性，从而影响宿主的营养代谢过程。
例如，肠道微生物可以调节脂肪酶的活性，进而影响猪体脂肪的代谢过程。
肠道微生物对宿主营养状态的影响主要表现为两个方面。
一方面，肠道微生物可以通过上述方式影响猪的营养物质消化和代谢，从而影响猪的生长性能和健康状况。
另一方面，肠道微生物可以调节猪的免疫状态，维持宿主肠道内环境的稳定，对猪的健康起到保护作用。
以某养猪场的实际生产为例，通过给猪喂食含有益生菌的饲料，可以有效地调整猪的肠道微生物群落结构，提高猪对营养物质的消化吸收能力，同时降低猪的发病率和死亡率。
这证明了肠道微生物与宿主营养代谢之间的确存在密切关系。
猪的肠道微生物与宿主营养代谢之间存在着复杂而重要的关系。
通过了解和掌握这种关系，我们可以更好地理解和改善猪的营养状况，从而提高养猪业的生产效率和猪的健康状况。
未来，随着微生物组学和营养学研究的深入，我们有望实现对猪肠道微生物群的精准调控，以实现养猪业的可持续发展。
微生物代谢组学
１、样品制备
微生物代谢物样品的制备一般分为微生物培养、淬灭和代谢产物的提取
生物量培养技术
微生物代谢组学研究要求微生物的生长条件是可以控制和重复 的。在一个生物反应器中，需要严格控制温度、pH、培养基组 成、溶解氧和二氧化碳等，以明确界定生长条件，建立标准的 和可重复的参考培养条件
代谢组学研究流程
simultaneous (同时发生的)
Fig. 1 Flow diagram of sampling procedure, metabolic activity quenching, intracellular metabolite extraction (endometabolome), extracellular metabolite (exometabolome) and analysis procedures for quantification
研究内容包括
代谢组学：定性和定量特定条件下生物样品内的全部代谢物。 然而,由于代谢物组成复杂、含量不一，样品制备过程的偏差, 以及检测设备的量程及通量等问题，目前还难以分析全部的 代谢物。
目标代谢物分析(metabolite target analysis) ：利用特定方法 研究难分析化合物( difficult analytes) 如植物激素等。
Quenched(急剧冷却)
Workflow for quantitative microbial metabolome analysis using multiple comprehensive analytical methods. IS, internal standard.
Warehousing(入库)
代谢组学的特点：
1、能够对各类代谢产物实现高通量分析测定 2、上游基因、蛋白层面变化能在下游代谢产
肠道菌群代谢物检测
肠道菌群代谢物检测肠道菌群即肠道微生物群，是指生活在人类及其他动物消化道中的微生物，包括有细菌和真菌等。
在人体中，如果没有肠道菌群，一些未消化的碳水化合物将无法被消耗，因为某些类型的肠道菌群具有人体细胞缺乏的分解某些多糖的酶。
此外，肠道菌群还可以参与人体的代谢，并与人体发生共代谢，例如激素代谢、胆固醇和胆酸代谢等均是肠道菌群和人体共同协作完成的。
越来越多的证据表明，肠道菌群及其代谢物在人类健康和疾病中发挥着重要的作用，因此探索肠道菌群代谢物与疾病的关系对疾病的预防及治疗等具有重要的意义。
肠道菌群代谢物影响宿主生理（EMBO Rep, 2022）。
肠道菌群代谢物主要包括有短链脂肪酸、胆汁酸、氨基酸、维生素、胆碱代谢物和吲哚衍生物等。
利用代谢组学技术，对肠道菌群代谢物进行定性和定量分析，有助于了解肠道菌群的生理状态，进而探寻肠道微生物与宿主潜在的相互作用机制及肠道菌群代谢对宿主健康和疾病的作用。
百泰派克生物科技提供肠道菌群代谢物检测技术包裹，能够对短链脂肪酸、中长链脂肪酸、色氨酸代谢物、胆汁酸、嘌呤、氨基酸、维生素等多种物质进行检测，您只需要将您的实验目的和实验样品寄给我们，我们将负责后续所有的实验。
百泰派克生物科技基于Thermo公司的Q Exactive和AB公司的Q TOF 5600质谱仪建立了针对于肠道菌群代谢物的代谢组学研究平台，根据您的实验目的采用不同的样品处理方案分别高效提取代谢物进行分析，在有效回答您生物学问题的同时提高了代谢物鉴定和定量数量的准确性。
此外，我们还提供蛋白质组学和多组学整合分析服务，欢迎详询。
关于样品常用样品为粪便样品，需要使用无菌的容器进行采集，以避免外部环境对样品的污染；样品的量需要足够进行检测，但也不应过多；-80℃冻存寄送。
中/英文项目报告在技术报告中，百泰派克生物科技会为您提供详细的中/英文双语版技术报告，报告包括：1. 实验步骤（中英文）。
2. 相关的质谱参数（中英文）。
代谢组学主要的研究对象及研究目标有哪些
代谢组学主要的研究对象及研究目标有哪些？代谢组学的研究对象主要是分子量小于1000Da的内源性小分子，研究方向包括：全代谢组研究（对限定条件下的特定生物样品中所有代谢组分的定性和定量），靶向代谢组研究（对某个或某几个特定组分的分析），代谢轮廓分析（对少数所预设的一些代谢产物的定量分析），代谢指纹图谱分析（不分离鉴定具体单一组分，而是对样品进行快速分类），其中全代谢组和靶向代谢组研究是目前代谢组研究的主要方向。
代谢组研究相对于基因组和蛋白质组研究而言有什么不同之处？主要特点包括三方面：一、基因和蛋白表达的有效的微小变化会在代谢物上得到放大，从而使检测更容易；二、代谢组学的技术不需建立全基因组测序及大量表达序列数据库；三、因为代谢产物在各个生物体系中都是类似的，所以代谢组学研究中采用的技术更通用。
代谢组的样品重复性有什么要求？代谢组学基于多元统计分析方法进行的，在样品准备上相对于转录组和蛋白质组而言需要更多的重复数据。
一般建议植物样品：最少6次，建议8次生物学重复；模式动物及微生物样品：最少8次，建议10次生物学重复；临床样品：30次生物学重复以上，如组织样品不好取样，可控制在20次重复以上。
目前的主要代谢组技术有哪些？各有什么特点？目前主要的代谢组技术平台主要有NMR（核磁共振）、GC-MS（气相色谱-质谱）、LC-MS（液相色谱-质谱）；NMR技术具有无损伤性，无辐射性，无偏向性，方法灵活，处理简单等优点，但灵敏度较低，动态范围有限；GC-MS技术具有高分辨率，高灵敏度，有比较标准的数据库，易于定性等优点，但需衍生化，预处理繁琐；LC-MS技术具有灵敏度较高，较宽动态范围，无需衍生化等优点，但标准谱图库信息不全，不易定性；代谢组学在系统生物学中有什么作用？它的地位如何？基于组学技术的系统生物学研究内容涵盖基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学。
这几种组学的研究中，基因组学主要研究生物系统的基因结构组成，蛋白质组学研究有生物系统表达的蛋白质及由外部刺激引起的差异。
肠道微生态的临床研究
炎症性肠病（IBD）是一类慢性肠道炎症性疾病，研究发现肠道微生态的改变与IBD的发生和发展密切相 关。通过药物治疗和饮食调整等手段，可以改善肠道微生态，缓解IBD症状。
肠道微生态与代谢性疾病
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
肠道微生态与肥胖
肥胖是一种常见的代谢性疾病，研究发现肠 道微生态的改变与肥胖的发生和发展有关。 某些细菌种类的增多或减少会影响能量吸收 和代谢，从而导致肥胖。调节肠道微生态有 助于改善肥胖症状。
肠道微生物组的改变可能影响糖尿病的发生、 发展和治疗。
肠道微生物组与心血管疾病
肠道微生物组的组成和功能与心血管疾病的发生、发展有关。
03
肠道微生态与疾病的关 系
肠道微生态与消化系统疾病
肠道微生态与腹泻病
腹泻病是常见的消化系统疾病，肠道微生态失衡可能导致肠道菌群失调，引发腹泻。研究表明，通过 补充益生菌等手段调节肠道微生态，可以有效缓解腹泻症状。
肠道微生态与过敏性疾病
过敏性疾病如哮喘、湿疹等，与肠道微生态的改变有关。通过调节肠道微生态，可以改 善过敏症状，降低过敏反应的风险。
04
肠道微生态的调节和治 疗
饮食调节
增加膳食纤维摄入
膳食纤维能够促进肠道蠕动，增加粪便体积，有利于肠道微生 态的平衡。富含膳食纤维的食物包括全谷类、蔬菜、水果和豆
类。
16S rRNA基因测序
利用16S rRNA基因的特异性，对肠道微生物进行分类和鉴定，了 解肠道微生物的组成和丰度。
代谢组学
研究肠道微生物的代谢产物，了解肠道微生物与人体健康之间的相 互作用。
临床试验和观察研究
随机对照试验
通过随机分组，对试验组给予干 预措施（如益生菌、益生元等）， 对照组给予安慰剂或常规治疗， 观察肠道微生态的变化和临床效 果。
代谢组学简介-百趣代谢组学
什么是代谢组学？代谢组学（Metabonomics/Metabolomics）是继基因组学和蛋白质组学之后发展起来的新兴的组学技术，是系统生物学的重要组成部分，研究对象大都是相对分子质量1000以内的小分子物质。
代谢组学是对某一生物体组份或细胞在一特定生理时期或条件下所有代谢产物同时进行定性和定量分析，以寻找出目标差异代谢物。
可用于疾病早期诊断、药物靶点发现、疾病机理研究及疾病诊断等。
国内外研究现状简述国际上，代谢组学研究很活跃：美国国家健康研究所(NIH)在国家生物技术发展的路线图计划中制订了代谢组学的发展规划；许多国家的科研单位和公司均开始了代谢组学相关研究及业务，如英国帝国理工大学的Jeremy Nicholson实验室、美国加州大学Davis分校的Oliver Fiehn 实验室、美国Scripps实验室、荷兰莱顿大学的Jan van der Greef实验室等。
其中许多机构已经开始了多组学整合研究工作。
国内多家科研机构已先后开展了代谢组学的研究工作，包括中国科学院大连化学物理研究所许国旺实验室、中国科学院武汉数学物理研究所唐惠儒实验室、上海交通大学贾伟实验室、军科院等。
没有任何一个分析技术能够同时分析代谢组中的所有化合物，只能通过选择性地提取结合各种分析技术的并行分析来解决。
样品之间的变异、仪器动力学范围的局限和分析误差的存在也给代谢组学分析带来巨大的挑战。
因此在取样方法，新型分析仪器和分析技术的研发等方面，都需要进一步深入开发。
代谢组学分析产生出海量的数据，当前我们缺乏适当的代谢组数据库和数据交换版式，需要完善代谢组学数据库，建立代谢产物数据的标准，并且需要开发功能强大的数据分析工具。
代谢组学服务有哪些？一、非靶标代谢组学经过多年发展，BIOTREE现已拥有完善的非靶标代谢组学平台，包括UHPLC-QTOFMS、Orbitrap LC-MS、GC-TOF-MS、GC-Q-MS 等，能够准确、快速地分析各种生物样本（血、尿、动物组织、唾液、羊水、细胞和细胞液、植物、微生物等）中的小分子代谢物。
代谢组学概念
代谢组学概念代谢组学概念一、引言代谢组学是一门新兴的交叉学科，它结合了代谢物分析和系统生物学的原则，致力于研究生物体内代谢过程中产生的所有小分子代谢产物，从而揭示这些分子之间的相互作用和调节机制。
随着技术的不断发展，代谢组学在医学、农业、环境保护等领域中得到了广泛应用。
二、代谢组学的基本原理1. 代谢物分析代谢物分析是指对生物体内所有小分子化合物进行定量和定性检测，并通过比较不同样本之间的差异来揭示其相互作用和调节机制。
常用的技术包括质谱法、核磁共振法和色谱法等。
2. 系统生物学系统生物学是指将生命现象看作一个整体，并通过建立数学模型来描述其复杂性。
在代谢组学中，系统生物学可以用于预测代谢途径、鉴定关键酶以及优化治疗方案等方面。
三、代谢组学在医学领域中的应用1. 诊断疾病代谢组学可以通过检测血液、尿液等样本中的代谢产物，来诊断各种疾病。
例如，肝癌患者的尿液中会出现较高浓度的甲酸和乳酸，而胰腺癌患者的血液中则会出现较高浓度的L-赖氨酸。
2. 评估药效代谢组学可以帮助评估药物的有效性和安全性。
例如，在治疗乳腺癌时，代谢组学可以帮助选择最佳药物，并监测患者对药物的反应情况。
3. 预测预后代谢组学可以通过检测患者体内代谢产物的含量和比例，来预测其对治疗的反应以及生存期。
例如，在肺癌治疗中，代谢组学可以预测肿瘤复发率和患者生存期。
四、代谢组学在农业领域中的应用1. 品种鉴定通过分析不同品种作物体内代谢产物的差异，可以实现快速准确地进行品种鉴定。
2. 营养评估代谢组学可以帮助评估植物的营养状况，从而为农业生产提供科学依据。
例如，在玉米生产中，代谢组学可以帮助评估土壤中的氮磷钾含量，从而确定最佳的施肥方案。
3. 品质控制代谢组学可以通过检测作物体内代谢产物的含量和比例，来评估其品质。
例如，在葡萄酒生产中，代谢组学可以帮助判断葡萄的成熟度和酿造质量。
五、代谢组学在环境保护领域中的应用1. 污染监测通过分析环境样品中的有机污染物，可以实现对环境污染情况进行监测和评估。
代谢组学
15
4
代谢组学（Metabonomics/ Metabolomics ）是通过考察生 物体系（细胞、组织 或生物体）受刺激或扰动后（如将某 个特定的基因变异或环境变化后），其代谢产物的变化或其 随时间的变化，来研究生物体系的一门科学。
代谢组（metabolome）是基因组的下游产物也是最终产物， 是一些参与生物体新陈代谢、维持生物体正常生长功能 和 生长发育的小分子化合物的集合，主要是相对分子量小于 1000的内源性小分子。
Each group of samples has…,
many sample analyses are required for statistical relevance a complex raw dataset that needs to be processed differences between sample groups which need to be highlighted
修饰或环境因子的影响 4. 上述内源性化合物的知识可以被用于疾病的诊断和药
物筛选
与转录组学和蛋白组学相比，代谢组学有以下优点： 1. 基因与蛋白质表达的微小变化会在代谢物上得到放大，
从而使检测更容易 2. 代谢组学的研究不需要建立全基因测序及大量序列标
签（EST）的数据库 3. 代谢物的研究种类远小于蛋白质的数目 4. 研究中采用的技术更通用
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• In-house database establishment essential
2.3 Metabolomics Products of Biotree
Untargeted Metabolomics
• Lipidomics • Medical Metabolomics • Pharmaco-Metabolomics • Plant Metabolomics • Microbial Metabolomics • Subcellular Metabolomics • Amino-Metabolomics
Metabolomics
The comprehensive and quantitative analysis of all metabolites of the biological system under study".(Oliver Fiehn, 2001)
1.2 A correlation between the main omics strategies used in systems biology studies
1.1 A Brief History of Metabolomics and ItsRelevance in Systems Biology
Metabolome
The change in the relative concentrations of metabolites as the result of deletion or overexpression of a gene.(Oliver et al., 1998)
1.6 Metabolic signatures of chronic diseases unveiled by metabolomics
Part 2: Workflow for studies in metabolomics
2.1 Workflow for studies in metabolomics
1.2 Current Major Research Labs in Metabolomics
Oliver Fiehn | University of
Gary Siuzdak | the Scripps
California, Davis, US
Research Institute, La Jolla,
• Targeted metabolites measurement
• Clinical biomarkers validation
Widely-targeted Metabolomics
• Metabolites Measurement • Potential biomarkers disovery • Focused on metabolites in the
Xijun Wang |
Heilongjiang University Weijia | Shanghai
Huiru Tang | Fudan Of Chinese Medicine, University, Shanghai, Haerbin, China
Guowang Xu | Dalian
China
An untargeted metabolomics approach is based
primarily on the qualitative or semiquantitative analysis of the largest possible number of metabolites from a diversity of chemical and biological classes contained in a biological specimen.
2.2 Metabolomics Research Caቤተ መጻሕፍቲ ባይዱegories
Technology Objective
Untargeted Metabolomics
• Metabolites detection • Potential biomarkers
disovery
Targeted Metabolomics
1.5 Novel biomarkers for pre-diabetes identified by metabolomics
Rui Wang-Sattler et al., Novel biomarkers for pre-diabetes identified by metabolomics. Molecular Systems Biology. 2012; 8:615 10
California, US
David Wishart | University
Jeremy Nicholson |
of Alberta, Canada
Imperial College
Jan van der Greef |
London, UK
Leiden University,
Leiden, the Netherlands
Science, Dalian, China
Chemistry, Shanghai, China
Metabolomics publications
数据来源：Pubmed 关键词：metabolomics
1.3 Disease Diagnosis
Plantar blood collection
Newborn Genetic Metabolic Disease Screening
Jiao Tong University, Shanghai, China Zhengjiang Zhu | the
Institute of Chemical
Interdisciplinary Research
Physics, Chinese Academy of
Center of Biology and
微生物代谢组学-肠道微生物代谢 组学研究
Contents
Introductions to Metabolomics
Workflow for studies in metabolomics
Microbial Metabolomics
Metabolomics
Part 1: Introductions to Metabolomics
2 0 0 0 D ' 2 # 1 4 0 0 RT: 1 3 . 4 9 A V : 1 N L : 4 . 3 3 E 5 T: F TM S + c E S I Full m s [ 5 0 . 0 0 -1 0 0 0 . 0 0 ]
1 4 4 .9 8 100
95
90
85
80
75
70
65
60
targeted pathway
Advantages
• High-throughput • Easy handling • Capable to discover new
potential biomarkers and cellular mechanism
Disadvantages • Difficult to accurate identification of metabolites
1.4 Precision Nutrition
Zeevi D,etal. Personalized Nutrition by Prediction of Glycemic Responses. Cell. 2015 Nov 19;163(5):1079-94. doi: 10.1016/j.cell.2015.11.001.
593.64
300 400 500 600 700 800 900 1000 m/z
682.58
773.51 860.44 934.04
MS detection
Data analysis
Results reports
Intelligent knife
MasSpec Pen
1 Balog J, etal. Intraoperative Tissue Identification Using Rapid Evaporative Ionization Mass Spectrometry. Sci Transl Med. 2013 Jul 17;5(194):194ra93. 2 Zhang J,etal. Nondestructive tissue analysis for ex vivo and in vivo cancer diagnosis using a handheld mass spectrometry system. Sci Transl Med. 2017 Sep 6;9(406).
Unargeted metabolomics
Targeted metabolomics Metabolic flux
Emily G. Armitage, Coral Barbas. Metabolomics in cancer biomarker discovery: Current trends and future perspectives. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis
Metabonomics
Quantitative measurement of the dynamic multiparametric metabolic response of living systems to physiopathological stimuli or genetic modifications. (Jeremy Nicholoson, 1999)