Cell发文！解密最早“芝士青年”

打开淘宝，搜索“开菲尔菌种”，白菜花颗粒状的图片就会立刻跳出来。人们花几十块钱，就能用它自制酸奶，发酵豆浆、奶酪等。而这种制作乳制品的方法，早在4000年前，就已经被生活在楼兰小河墓地的古人掌握了。

过去11年，中国科学院大学博士生导师、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员付巧妹团队联合中国科学院大学教授杨益民以及新疆文物考古研究所等单位，针对新疆小河墓地出土的世界最早奶酪进行了国际首个古代奶制品遗存宏基因组研究，用全新的古分子证据揭开了古人群对微生物的应用驯化和传播交流历史。相关研究成果近日在线发表于Cell。

更新开菲尔乳酸菌传播历史

2003年，新疆小河墓地出土了一具约4000年前保存相当完整的女干尸，她因混血的美貌征服了考古学家，被称为“小河公主”。

2010年后，考古学家在“小河公主”颈部和胸部发现了一些淡黄色块状物，其腰侧随葬草篓中则有大量颗粒状物质。

经过近4年的研究，杨益民团队与德国马克斯·普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所的科研人员发现，这些块状物和颗粒状物质均由不同蛋白质组成。颗粒状物质的蛋白组成接近全奶，而块状物的乳清蛋白含量较低，以酪蛋白为主，证明是奶酪。当时，科研人员还揭开了这种奶酪的制作工艺细节——由开菲尔乳酸菌发酵生产的。

新疆小河墓地出土的木乃伊样本（被称为“小河公主”，奶酪样本围绕在其脖子周围）。新疆文物考古研究所李文瑛供图

这几块全球最早的奶酪实物（3600年前）吸引了许多人的关注，其中就包括付巧妹。

“奶酪的保存非常困难。这些实物得益于小河墓地独特的干燥条件，从而保存下来。”于是，付巧妹有了一个大胆的猜想：这款奶酪中也许还存有开菲尔乳酸菌的古DNA。然而，此前从未有科学家提取过这类古DNA。

为了获取数据，付巧妹自主设计了专门针对乳酸菌的全基因组位点探针。正是利用这个工具，他们将开菲尔奶酪样品中的乳酸菌DNA从0.43%~0.55%的富集程度一点一点提升至64%~80%，使第一例古代奶制品全基因组研究成为可能。最终，付巧妹团队从距今约3500年的3例古老奶酪样本中提取出26x高质量的古代开菲尔乳酸菌基因组。

奶制品发酵技术的传播在很大程度上伴随着人类的迁徙和互动，这一过程推动了在发酵作用中发挥重要作用的乳酸菌的演化。

现代开菲尔乳酸菌基因组研究表明，开菲尔乳酸菌有两个重要支系，一个支系主要包括来自欧洲（德国）、亚洲沿海和岛屿地区（中国广东、台湾，日本，新加坡）的菌株，这个支系符合从高加索到欧洲及亚洲和东南亚沿海地区的扩散路线；另一个支系主要包括分布在东亚内陆地区（包括中国西藏）的菌株。

此前，科学家推测，西藏支系可能是独立存在的。但付巧妹在对新疆古代开菲尔乳酸菌的系统发育分析中发现，新疆塔里木盆地古人群用于发酵开菲尔酸奶的菌株跟西藏的菌株更近，且处于这一支系演化的基部。

“这意味着，存在另一条通过技术文化交流将开菲尔酸奶制作工艺从新疆地区传播至东亚内陆的路线。”付巧妹说，开菲尔乳酸菌两个支系的分化很可能就是其共同祖先最初被驯化后在不同人群中传播的结果，代表了不同古人群在应用和驯化发酵微生物过程中发生了不同路线的迁徙与交流。

古人群与乳酸菌协同演化

古人群通过食用发酵奶制品摄入大量发酵微生物，而这些有益的共生微生物伴随着环境压力、人类活动、技术文化的变迁，以及长时间与人类体内其他肠道微生物群落的相互作用。它们的基因组也发生了相应演变，开菲尔乳酸菌的演化亦是如此。

新疆小河墓地出土的编号为M25的青铜时代奶酪样本。中国科学院大学教授杨益民供图

广泛的水平基因转移是乳酸菌适应性演化的主要机制之一，此次研究团队通过青铜时代和现代开菲尔乳酸菌基因组的比较分析，找到了5个新的基因片段，它们代表了不同的功能。

相比于青铜时代的开菲尔乳酸菌，现代开菲尔乳酸菌的菌株中出现了可能参与耐药机制的基因簇。付巧妹认为，这是开菲尔乳酸菌在演化过程中对环境压力的适应。

现代开菲尔乳酸菌还出现了与细菌自身免疫相关的R-M系统和toxin-antitoxin系统等基因簇。付巧妹解释，这些基因簇能对抗外源DNA入侵，从而维持基因组稳定性，这也代表了开菲尔乳酸菌防御机制的增强。

有意思的是，相较新疆地区青铜时代的开菲尔乳酸菌，西藏地区的现代开菲尔乳酸菌菌株中出现了两个与减轻肠道炎症反应相关的水平转移的基因簇。这些基因簇不仅有利于乳杆菌在人类肠道中生存，还能促进肠道功能。

微生物与人类的相互作用贯穿了人类数百万年的演化历史，数以亿计的微生物与人类共生，参与人体内营养合成与毒素分解，在人类健康及其与环境的高度互动中扮演了重要角色。

付巧妹在古DNA超净室中对奶酪样本进行实验。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所供图

“像开菲尔乳酸菌这样长时间被人类利用的菌株，除了本身的适应性演化外，人类长时间的应用和驯化很可能也影响了开菲尔乳酸菌的演化。”付巧妹说。

对于这项从分子机制层面厘清相关菌株的引入、传播和演变历程的研究，国际专家评价：“这一首例来自考古样本的共生微生物基因组意义重大，为欧亚草原中部人群的迁徙交流与微生物驯化历史带来新认识。”

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观微之光，可明远方

来源/《中国科学报》记者胡珉琦

美编/吴迪

责编/国晓薇

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