Їжа для роздумів про маніпулювання кишковими бактеріями

Наталі М. Дельценне &

Шукати цього автора в:

Лоре Б. Біндельс

Шукати цього автора в:

Деякі мікроорганізми кишечника можуть зміцнити здоров'я людини, але незрозуміло, яким чином можна використовувати дієту, щоб легко маніпулювати складом кишкових мікробів, щоб підвищити рівень бажаних бактерій. Написання в Клітинка, Патнод та ін. 1 представлений корисний підхід для оцінки взаємодії між мікробами кишечника людини та харчовими волокнами, що підтримують їх існування.

Харчові волокна просуваються як частина здорового харчування у всьому світі. Однак багато людей не досягають рекомендованого споживання клітковини, оскільки вживають недостатньо фруктів, овочів та круп. Недостатнє споживання клітковини пов'язане із загальними станами, включаючи ожиріння, діабет та рак 2. Проте розуміння механізмів, які пов'язують багату клітковиною їжу та гарне здоров'я, є складним завданням. Харчові волокна охоплюють широкий спектр складних молекул, більшість з яких присутні в рослинних клітинах; серед них є молекули вуглеводів, які називаються гліканами, які стійкі до перетравлення ферментами людини. Як наслідок, частина поглиненої клітковини виводиться у незміненому вигляді з фекаліями, тоді як більша частина метаболізується мікробами кишечника.

Ці мікроби мають різноманітну і надзвичайно складну метаболічну здатність. Бактерії, які експресують різні ферменти для метаболізму клітковини, можуть виживати і рости, використовуючи цілий ряд продуктів. Деякі види бактерій можуть конкурувати між собою за одне і те ж джерело їжі, що може зменшити чисельність видів, які менш успішно конкурують. Як можна керувати мікробами кишечника за допомогою дієтичного втручання людини? Наприклад, була запропонована концепція використання пребіотиків - сполук, які впливають на мікроби кишечника, тим самим приносячи користь людському господареві. Однією з таких ідей є використання конкретних джерел клітковини, які забезпечують їжу бажаних мікробів кишечника 3, 4. Однак для того, щоб визначити, чи можуть харчові волокна сприяти зміцненню здоров’я таким чином, потрібно складне розуміння взаємодій, які виникають, коли складна спільнота кишкових мікробів стикається з джерелом клітковини.

Попередня робота 5 вказувала, що перенесення кишкових мікробів близнюків людини, які мають контрастну масу тіла (ожиріння та худорлявість), мишам викликало відповідну різницю в масі тіла тварин. Однак, коли деякі ожирілі миші були поселені з нежирними мишами, вони мали менше жирового жиру, ніж ожирілі тварини, які не були сумісними з худими мишами - і цей ефект втрати ваги корелював із передачею Бактероїди види бактерій від худих мишей до ожирілих мишей 5. Щоб відбулося це зниження жирового жиру, потрібно було велике споживання рослинної їжі, багатої клітковиною 5. Однак типи клітковини, що відповідають за цей ефект, і те, як вони взаємодіють із конкретними мікроорганізмами кишечника, було невідомо. Патнод та його колеги тепер розкривають, як певні типи глікану можуть викликати конкуренцію між різними Бактероїди вид, що мешкає в кишечнику людини.

Патнод та ін. вивчали мишей, у яких не було нормальних мікробів, і замість них у них було 15 штамів бактерій, що мешкають в кишечнику, від худої людини, яка мала ожиріння близнюків. Автори годували мишей різними комбінаціями джерел клітковини як частину свого раціону. Аналіз зразків фекалій дозволив дослідникам відстежувати, як дієти впливали на відносну чисельність кожного виду бактерій у кишечнику тварин. Цей підхід визначив, наприклад, вплив доза-реакція волокна гороху на відносну чисельність Бактероїди тетайотаомікрон у бактеріальній популяції, а також виражений вплив деяких видів ячмінної клітковини (β-глюкану та висівок) на відносну чисельність Bacteroides ovatus. Ці результати виявляють специфічність впливу різних форм харчових волокон на популяції бактерій.

Щоб визначити гени, необхідні для певної бактерії, яка представляє інтерес для метаболізму клітковини, автори давали мишам штами бактерій, які були сконструйовані так, щоб містити мутації в випадкових місцях у їх геномі, і годували тварин різними видами харчових волокон. Аналізуючи білки у зразках фекалій миші, автори виявили набір бактеріальних білків, які дозволяють певним мікробам успішно рости в певних режимах годівлі. Наприклад, коли миші отримували харчові волокна з фруктових шкірок (цитрусовий пектин), які багаті на тип молекули, який називається метильований гомогалактуронан, це призвело до зростання експресії білків, які розкладають такі молекули в бактерії Бактероїди cellulosilyticus. І коли миші отримували волокно гороху, багате молекулою полімеру, званим арабінаном (який містить цукор арабінозу), експресія білків, що беруть участь у деградації арабіну, зросла в бактерії B. thetaiotaomicron.

Мабуть, найбільш оригінальною частиною цього дослідження є розробка штучних «частинок їжі», що складаються з магнітних гранул, покритих гліканом (рис. 1), які можна вводити мишам перорально та відновлювати, застосовуючи магнітне поле. Патнод та ін. використовував цю стратегію для дослідження реакції видів бактерій на різні джерела їжі, оцінюючи ступінь деградації глікану у відновлених кульках. Коли миші, які були колонізовані лише с B. cellulosilyticus або Бактероїди вульгатус отримували частинки їжі, покриті гороховою клітковиною, рівні арабінози у відновлених намистинах були нижчими за початкові рівні, демонструючи, що обидва ці бактеріальні види метаболізували цю молекулу в природних умовах.

Малюнок 1 | Дослідження того, як бактерії, що живуть в кишечнику людини, метаболізують харчові волокна. a, Патнод та ін. 1 дав мишам, яким бракувало природних мікробів кишечника, набір з 15 штамів бактерій, що мешкають в кишечнику людини, включаючи види Bacteroides cellulosilyticus, Bacteroides ovatus і Bacteroides vulgatus. Автори розробили метод відстеження перетравлення клітковини. Вони генерували магнітні кульки, покриті цікавим волокном, і годували цих кульки (називаються частинками їжі) тваринам. Застосування магнітного поля дозволило відновити частинки їжі та оцінити ступінь деградації волокна. Тварини отримували частинки їжі, до складу яких входила частина покритої волокною гороху, яка багата молекулою арабінану, а частина покрита молекулою арабіноксилану. B. vulgatus і B. cellulosilyticus змагалися за приниження статусу арабінця, B. cellulosilyticus деградований арабіноксилан, і B. ovatus деградовані інші молекули (не показано). b, Коли експеримент повторювали без B. cellulosilyticus, B. ovatus продемонстрував гнучкість метаболізму, переключившись на деградуючий арабіноксилан. B. ovatus деградував менше арабіноксилану, ніж це було B. cellulosilyticus.

В паралельному експерименті мишей колонізували або з усіма 15 штамами бактерій від худих близнюків, або з 14 штамами (B. cellulosilyticus виключено), перед тим як отримувати частинки їжі, що містять волокно гороху (рис. 1). Потім порівнювали рівень деградації арабінози у багатих арабіном гранулевих волокнах горохового волокна, і було встановлено, що він однаковий в обох випадках. Це свідчить про те, що деякі зміни відбуваються у бактеріальній спільноті, за відсутності B. cellulosilyticus, що дозволяє арабінозі з волокна гороху деградувати настільки, наскільки це було б, якби були присутні всі 15 штамів бактерій. Історія може бути іншою щодо інших форм харчових волокон.

Поряд з частинками їжі, покритими волокнами гороху, тварини отримували частину, покриту молекулами арабіноксилану (полімеру цукрів арабінози та ксилози). Однак у випадку арабіноксилану штами бактерій були менш здатні обробляти цю молекулу, коли B. cellulosilyticus був відсутній, ніж тоді, коли він був присутнім, і приписувалась метаболізуюча активність арабіноксилану B. ovatus. За відсутності B. cellulosilyticus, B. ovatus зазнає метаболічного зсуву, що посилює його здатність використовувати арабіноксилан. Коли обидва B. ovatus і B. cellulosilyticus були відсутні в популяціях бактерій, намистини, покриті арабіноксиланом, зберігали початковий рівень арабінози, виявляючи, що жоден із 13 інших штамів бактерій не скористався перевагами доступності арабіноксилану.

Це дослідження виявляє гнучкість та пристосованість мікробів кишечника у відповідь на їх харчове середовище. Це забезпечує корисну увагу на конкретних формах харчових волокон та видів бактерій, які, як відомо, пов'язані з пов'язаною з дієтою стійкістю до підвищення жирової тканини 5. Це «спрощення» контексту пропонує шлях уперед у розумінні ключових генів та білків Бактероїди які мають вирішальне значення для деградації харчових волокон і які можуть вплинути на велику кількість певних кишкових бактерій. Висновки також показують, як B. cellulosilyticus може відігравати домінуючу роль у взаємодії з певними бактеріями, з якими він може конкурувати за одне і те ж джерело їжі. Робота також виявляє приховану метаболічну гнучкість, таку як здатність B. ovatus адаптувати свою метаболічну стратегію.

Оцінюючи це дослідження, варто мати на увазі, що Бактероїди це не єдиний тип бактерій, що зазвичай використовує харчові волокна для їжі, і те, що містять клітковину продукти, перевірені авторами, не є основними джерелами харчових волокон у типовому раціоні людини. Більше того, достаток Бактероїди дуже різниться між людьми 6, і гіпотеза, яка є ключовою Бактероїди види можуть вплинути на успіх дієти для боротьби з ожирінням, вимагає подальших досліджень.

Хоча вона концентрується на Бактероїди Тільки робота Patnode та його колег представляє корисний прогрес у напрямку розробки персоналізованих стратегій харчування для пошиття мікроорганізмів кишечника в майбутньому. Дослідження також доповнює інші дослідження 7 - 9, які досліджують, як бактерії в кишечнику людини можуть сприяти реакції організму на певну дієту. Завдяки Patnode та ін., ми маємо свіже уявлення про те, як конкретні види бактерій використовують та конкурують за харчові волокна. Майбутні дослідження, безсумнівно, продовжуватимуть уточнювати зв’язок між продуктами харчування, багатими клітковиною, та здоров’ям, беручи до уваги роль мікробної спільноти кишечника.