一项关于古代开菲尔奶酪的开创性研究揭示了欧亚大陆乳制品发酵的复杂历史和演变，并强调了开菲尔乳杆菌如何通过数百年的人类互动而适应。

食品发酵是人类历史上使用微生物的最古老的生产实践。例如，牛奶发酵可以追溯到公元前6000-4000年的印度，而地中海地区的人们早在7000年前就开始生产并食用奶酪。

尽管人类食用发酵产品已有很长的历史，但关于发酵微生物使用的历史以及相关文化传播的历史却知之甚少。特别是，这些发酵微生物在与人类长期相互作用中的进化轨迹，特别是功能适应方面，一直不清楚。

最近，一组中国科学家通过完成从小河墓地出土的青铜时代克菲尔奶酪的世界首个宏基因组研究，增加了我们对早期乳制品发酵实践传播的认识，这是迄今为止已知的最古老的乳制品残留物。从古代发酵乳制品残留物中获得的分子证据是研究过去人类与发酵微生物相互作用的有力工具。

发酵研究取得突破

在这项研究中，科学家们从新疆小河墓地出土的三种古奶酪样品中提取了高质量的开菲尔乳酸菌（L. kefiranofaciens）基因组，这些奶酪可追溯到大约3500年前。该团队的研究成果于9月25日在线发表在《细胞》杂志上，文章标题为“青铜时代奶酪揭示了人类与乳酸菌在进化史上的相互作用”。它作为《细胞》的重点论文而被特别介绍。

“我们已经在这个项目上工作了11年多，”论文的最后一位通讯作者、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所分子古生物学实验室主任付巧妹说。关键是她设计了用于富集乳酸菌DNA的探针，这将目标DNA的比例从<1%提高到了64-80%，从而实现了乳酸菌全基因组的重建。

“这是一项前所未有的研究，使我们能够观察到细菌在过去3000年中的演变过程。此外，通过检查乳制品，我们对古代人类的生活以及他们与世界之间的互动有了更清晰的认识，”傅（FU）说。“这只是个开始，有了这项技术，我们希望探索其他以前未知的文物。”

发掘古代乳制品技术

新疆小河墓地出土的奶酪样品是迄今为止发现的最早的奶酪制品。先前已通过古蛋白质组学将其鉴定为开菲尔奶酪——一种使用开菲尔粒制成的发酵乳制品，其中含有发酵微生物。

该研究通过重建发酵微生物群落，证实了奶酪是用乳酸菌和酵母制作的。研究人员还发现，用于制作奶酪的牛奶来自新石器时代后期广泛分布于欧亚大陆的一个山羊谱系，与东亚内陆的当代家养山羊不同。

这一发现表明，塔里木盆地的古代人可能从欧亚草原人口稠密地区学习了开菲尔制作技术。

古代发酵的遗传洞察

乳制品发酵技术的传播在很大程度上伴随着人类的迁移和互动，这一过程推动了乳酸菌的进化。然而，本研究还通过分析新疆古代开菲尔乳杆菌的系统发育关系，揭示了开菲尔乳杆菌的一种新的传播途径。

研究人员发现，用于发酵的 L. kefiranofaciens 包含两个谱系。第一个谱系主要包括来自欧洲（如现代德国所在地区）和亚洲沿海地区及岛屿（如现代广东、台湾岛、日本和新加坡所在地区）的菌株。这一分布符合从高加索到欧洲的一方面传播路线，以及亚洲和东南亚沿海地区的另一方面传播路线。另一个谱系主要包括分布在内陆东亚（包括西藏）的菌株。

重构的古代菌株位于谱系树的底部，表明通过技术文化交流，开菲尔生产技术从新疆传播到内陆东亚的另一条路线。

L. kefiranofaciens的两个分支的分化可能是它们在不同种群中最初驯化的共同祖先传播的结果，代表了不同古代种群在使用和驯化发酵微生物过程中发生的迁移和相互作用。

“看到从这些奶酪中可以提取出多少信息真是令人兴奋，”中国科学院大学教授杨毅敏说。“有机残留物为我们打开了一扇窗户，让我们得以窥见历史上和记录中遗失的人类行为和文化。”

乳酸菌进化的见解

本研究还发现，人类的使用和驯化在L. kefiranofaciens的进化中起到了重要作用。对青铜时代和现代L. kefiranofaciens的基因组进行比较分析，可以了解乳酸菌在过去几千年中的适应性进化。

广泛的水平基因转移是乳酸菌适应性进化的主要机制之一。通过比较古代和现代L. kefiranofaciens的功能谱，该研究发现了L. kefiranofaciens进化的三个主要轨迹：1）适应环境压力，现代菌株中出现了与耐药性相关的基因；2）增强细菌基因组的防御机制，现代L. kefiranofaciens表现出如R-M系统和相关毒素-抗毒素系统等基因簇，这些基因簇可以对抗外源DNA的引入，从而降低相关的适应性成本；3）与人体肠道环境相关的适应性；例如，现代菌株获得了可能与宿主肠道相互作用的基因簇，这可能是由于它们与人类的长期相互作用所致。

这项研究还发现，人类长期使用和驯化L. kefiranofaciens很可能也影响了其进化。与青铜时代的L. kefiranofaciens相比，西藏的现代菌株表现出两个与缓解肠道炎症反应相关的水平转移基因簇。这不仅有助于L. kefiranofaciens在人类肠道中的生存，还促进了肠道功能。

考虑到古代人口稠密地区可以很容易地通过开菲尔颗粒传播开菲尔生产技术，这些基因簇的存在可能与当时人口稠密地区对携带不同乳酸克菲尔菌属的开菲尔颗粒的偏好有关。

发酵的文化影响

“人与微生物的互动总是引人入胜，”IVPP分子古生物学实验室的副教授、论文第一作者之一的刘怡辰（音）表示。“发酵微生物在这些古人的日常生活中扮演着如此重要的角色，而且它们在数千年的时间里不断繁衍，而大多数时候人们并不知道它们的存在。”

这项研究利用与过去人类活动和文化密切相关的发酵微生物的古代DNA信息，为利用古代DNA研究古代人类的文化交流提供了一个新的框架。

要了解有关这项研究的更多信息，请参见世界上最古老的奶酪揭开了古代开菲尔的秘密。

参考文章：“青铜时代奶酪揭示了人类与乳酸杆菌在进化史上的相互作用”由刘一尘、苗波、李文英、胡兴军、白帆、阿布都热西提·依地力斯、刘亚林、郑泽铨、王文军、陈泽辉、朱世伦、冯小天、曹鹏、平万静、杨若薇、戴庆炎、刘峰、田婵、杨益民和付巧妹于2024年9月25日在《细胞》杂志上发表。 DOI: 10.1016/j.cell.2024.08.008

本研究得到国家自然科学基金、中国科学院、高峰生物医学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。