你知道嗎？每個人的腸道里都有一個由數百種微生物組成的“微型生態系統”，它們不僅幫助消化食物，還與肥胖、糖尿病甚至炎癥腸病等疾病密切相關。然而，長期以來，由于缺乏足夠靈敏的檢測分析方法，這個“生態系統”中超過80%的低豐度微生物產生的蛋白及其功能，始終像“暗物質”一樣隱藏在科學家的視野之外——這就是有待深入探索的腸道“暗宏蛋白質組”（dark metaproteome）。
2025年7月18日，來自維也納大學、慕尼黑工業大學的研究團隊，聯合國際知名質譜儀廠商布魯克（BRUKER）、蛋白從頭測序技術全球領跑者快序生物（Rapid Novor）的科學家，在國際頂級期刊Nature Communications上發表了一項突破性研究：他們合作開發的超靈敏宏蛋白質組學技術uMetaP，將腸道“暗宏蛋白質組”的檢測靈敏度提升了5000倍，首次揭開了這些低豐度微生物來源蛋白的神秘面紗，并為炎癥腸病等疾病的診斷和治療帶來了新希望。
值得一提的是，這是自2024年10月發表多抗測序技術之后，時隔半年Rapid Novor快序生物的研究成果再次亮相Nature Communications，向世界展示了頂級的蛋白從頭測序技術Novor，在生物、醫藥、科研領域的重要價值。
腸道菌群中的“暗物質”：未被看到的關鍵健康影響因素
腸道菌群是人體最復雜的“共生伙伴”之一。通過基因組學技術，科學家早已發現，每個人的腸道中除了少數高豐度微生物，還有數百種低豐度微生物，它們共同塑造了獨一無二的“腸道指紋”。但問題是：由于微生物的功能冗余性，不同微生物可能發揮相同功能。基因組學只能告訴我們“有什么微生物”，卻無法明確回答“這些微生物在做什么”。要了解微生物的功能，就需要分析它們產生的蛋白質——這正是宏蛋白質組學的任務。然而，傳統質譜技術的靈敏度受限，只能檢測到高豐度微生物的蛋白質，超過80%的低豐度微生物的蛋白始終無法被捕捉，形成了“暗宏蛋白質組”。這些“暗物質”可能正是解釋個體疾病差異、宿主與微生物互作的關鍵，卻因技術限制一直成謎。
uMetaP的突破，源于對兩項核心技術的革新：
一是硬件升級。研究團隊將超高效液相色譜（UHPLC）、優化的離子源與極高度靈敏的timsTOF Ultra質譜儀結合，能捕捉到更多微弱的蛋白質信號，鑒定出肽段數量是先前流程的4倍。
二是“從頭測序”算法的突破。傳統宏蛋白質組學依賴已知數據庫匹配蛋白序列，但低豐度微生物蛋白的序列往往不在數據庫中。為此，研究團隊采用布魯克PASEF（平行累積連續碎裂）采集的，包括4維數據結構的175萬個肽譜匹配（PSMs），訓練從頭測序算法Novor（Rapid Novor快序生物開發），結合傳統數據庫搜索開發了novoMP策略：一種從頭測序輔助的宏蛋白質組數據庫構建方法。
圖1 開發novoMP用于宏蛋白質組數據庫構建
這一組合讓uMetaP的性能實現了質的飛躍：
檢測限低至0.0001%，定量限低至0.01%，比先前的質譜方法提升5000倍，并能夠識別以前無法檢測到的低豐度類群;
通過數據依賴采集（DDA）PASEF模式構建的小鼠糞便宏蛋白質組數據庫從223個擴展到774個物種（包括古菌、真菌和病毒），包含20.8萬個微生物蛋白序列；
在數據非依賴采集（DIA）PASEF模式下，uMetaP鑒定了210,051個微生物肽段和118,937個蛋白組，是之前技術流程的三到四倍；
小鼠糞便樣本中鑒定了1043個未知功能蛋白、2342個小蛋白和581個抗菌肽，這些此前因技術限制未被檢測到的蛋白，拓展了對腸道微生物功能的認知。
圖2 DIA-PASEF uMetaP提升宏蛋白質組檢測性能
圖3 uMetaP重新定義暗宏蛋白質組的檢測極限
從小鼠到人類：uMetaP揭示炎癥疾病中的“宿主-微生物互作”
為驗證uMetaP的價值，研究團隊在結腸損傷小鼠模型和克羅恩病（炎癥性腸病）患者中展開了研究。結果表明，uMetaP不僅驗證了宏基因組學發現的微生物種類變化，更揭示了深層功能關聯：發現990種宿主調控蛋白和92個微生物特異性代謝網絡，揭示了組織損傷中的新途徑。更重要的是，這些發現在人類患者中得到了印證。通過對比204名克羅恩病患者的腸道活檢轉錄組數據，證實了490個蛋白的調控變化，其中包括已知與腸道炎癥相關的RELA、NOS2等蛋白。這意味著，uMetaP發現的宿主-微生物互作，很可能是跨物種的保守機制，為理解人類疾病提供了全新視角。
“可藥用宏蛋白質組”：uMetaP為炎癥腸病找到新療法
基于這些發現，研究團隊首次提出“可藥用宏蛋白質組”（druggable metaproteome）概念——即“可被藥物靶向的微生物功能蛋白和宿主蛋白樞紐構成的生態網絡”，它們可作為藥物研發和治療干預的靶點，為腸道炎癥性疾病的治療提供潛在方向。基于在小鼠和人類中均顯著調控的33個蛋白，他們識別出涉及187種藥物的204種潛在關聯，其中77種是已獲批用于人類炎癥性疾病相關疾病，包括克羅恩病治療的藥物。更令人興奮的是，研究還發現了57種獲批用于其他疾病的藥物，有望被“老藥新用”于腸道炎癥治療。
圖4 uMetaP揭示炎癥性疾病的潛在治療靶點
uMetaP拓展宏蛋白質組的應用范圍和價值
本研究構建的uMetaP技術，不僅能推動腸道菌群研究，還可能應用于海洋、臨床微生物檢測、單細胞蛋白質組分析等需要超高靈敏度檢測的領域——比如早期發現血液中極微量的致病菌蛋白。過去，我們只看到了腸道菌群的“冰山一角”。uMetaP讓我們第一次看清了冰山下的世界。隨著技術的普及，或許在不久的將來，我們能通過分析“暗宏蛋白質組”，為每個人定制腸道健康方案，讓炎癥腸病等疾病的精準治療成為現實。
[1]Xian, F., Brenek, M., Krisp, C.et al. Ultra-sensitive metaproteomics redefines the dark metaproteome, uncovering host-microbiome interactions and drug targets in intestinal diseases. Nat Commun 16, 6644 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61977-7
