Натали М. Делцен &
Търсете този автор в:
Лоре Б. Бинделс
Търсете този автор в:
Някои чревни микроорганизми могат да подобрят човешкото здраве, но не е ясно как диетата може да бъде използвана за лесно манипулиране на състава на чревните микроби, за да се повишат нивата на желаните бактерии. Писане в Клетка, Patnode и др. 1 представя полезен подход за оценка на взаимодействията между човешките чревни микроби и хранителните фибри, които поддържат тяхното съществуване.
Диетичните фибри се популяризират като част от здравословната диета в целия свят. Много хора обаче не постигат препоръчителния си прием на фибри, тъй като консумират недостатъчно плодове, зеленчуци и зърнени храни. Недостатъчният прием на фибри е свързан с често срещани състояния, включително затлъстяване, диабет и рак 2. И все пак разбирането на механизмите, които свързват богатата на фибри храна с доброто здраве, е предизвикателство. Диетичните фибри обхващат широк спектър от сложни молекули, повечето от които присъстват в растителните клетки; сред тях има въглехидратни молекули, наречени гликани, които са устойчиви на храносмилането от човешки ензими. В резултат на това някои погълнати фибри се отделят непроменени с фекалиите, докато повечето се метаболизират от чревни микроби.
Тези микроби имат разнообразен и изключително сложен метаболитен капацитет. Бактериите, които експресират различни ензими за метаболизиране на фибри, могат да оцелеят и да растат, използвайки редица храни. Някои бактериални видове могат да се конкурират помежду си за един и същ източник на храна, което може да намали изобилието от видове, които се конкурират по-малко успешно. Как може чревните микроби да бъдат манипулирани чрез човешка диетична намеса? Например беше предложена концепцията за използване на пребиотици - съединения, които влияят на чревните микроби, като по този начин се възползват от човешкия гостоприемник. Една такава идея е да се използват конкретни източници на фибри, които осигуряват храна за желаните чревни микроби 3, 4. Определянето обаче дали диетичните фибри могат да подобрят здравето по този начин изисква сложно разбиране на взаимодействията, които възникват, когато сложната общност от чревни микроби срещне източник на фибри.
Предишна работа 5 показва, че прехвърлянето на чревни микроби на човешки близнаци, които имат контрастни телесни маси (затлъстели и слаби) в мишки, предизвиква съответна разлика в телесните маси на животните. Въпреки това, когато някои от затлъстелите мишки са били настанени с постни мишки, те са имали по-малко мастна мазнина, отколкото затлъстелите животни, които не са били настанени заедно с постни мишки - и този ефект на загуба на тегло корелира с прехвърлянето на Бактероиди бактериални видове от слабите мишки до пълните мишки 5. За да настъпи това намаляване на мастните мазнини е необходима висока консумация на богати на фибри растителни храни 5. Видовете влакна, отговорни за този ефект, и как те взаимодействат със специфични чревни микроорганизми, не са известни. Patnode и колегите сега разкриват как определени видове гликан могат да стимулират конкуренцията между различните Бактероиди видове, обитаващи човешките черва.
Patnode и др. изследвали мишки, на които им липсвали нормалните микроби, и вместо това имали 15 щама бактерии, обитаващи червата, от слаб човек, който имал затлъстел близнак Авторите хранеха мишките с различни комбинации от източници на фибри като част от диетата си. Анализът на фекални проби позволи на изследователите да проследят как диетите повлияват относителното изобилие на всеки бактериален вид в червата на животните. Този подход определи например ефект на реакция на доза от граховите влакна върху относителното изобилие на Bacteroides thetaiotaomicron в бактериалната популация, както и подчертан ефект на някои видове ечемичени влакна (β-глюкан и трици) върху относителното изобилие на Bacteroides ovatus. Тези резултати разкриват специфичността на ефектите, които различните форми на диетични фибри могат да имат върху бактериалните популации.
За да идентифицират гените, необходими за специфична бактерия, която представлява интерес за метаболизма на фибрите, авторите дадоха на мишки бактериални щамове, които бяха проектирани да съдържат мутации на произволни места в техния геном и хранеха животните с различни видове диетични фибри. Анализирайки протеините в фекални проби от мишки, авторите идентифицират набор от бактериални протеини, които позволяват на някои микроби да растат успешно в определени режими на хранене. Например, когато мишките са получили диетични фибри от плодови обелки (цитрусов пектин), които са богати на тип молекула, наречена метилиран хомогалактуронан, това е довело до повишаване на експресията на протеини, които разграждат такива молекули в бактерията Бактероиди целулозилитикус. И когато мишките получиха грахово влакно, което е богато на полимерна молекула, наречена арабинан (която съдържа захарта арабиноза), експресията на протеини, участващи в арабиновото разграждане, се повиши в бактерията Б. thetaiotaomicron.
Може би най-оригиналната част от това изследване е разработването на изкуствени „хранителни частици“, състоящи се от покрити с гликан магнитни мъниста (фиг. 1), които могат да се прилагат орално на мишки и да се възстановяват чрез прилагане на магнитно поле. Patnode и др. използва тази стратегия, за да изследва как бактериалните видове реагират на различни източници на храна, като оценява степента на разграждане на гликана във възстановените зърна. Когато мишки, които са били колонизирани само с B. cellulosilyticus или Бактероиди вулгат са получили хранителни частици, покрити с грахови влакна, нивата на арабиноза във възстановените зърна са по-ниски от първоначалните нива, което показва, че и двата вида бактерии са метаболизирали тази молекула in vivo.
Фигура 1 | Изследване как човешките чревни бактерии метаболизират диетичните фибри. а, Patnode и др. 1 даде на мишки, на които липсваха техните естествени чревни микроби, набор от 15 бактериални щама, които живеят в човешките черва, включително видовете Bacteroides cellulosilyticus, Bacteroides ovatus и Bacteroides vulgatus. Авторите са разработили метод за проследяване на храносмилането на фибри. Те генерираха магнитни мъниста, покрити с интересуващо влакно, и хранеха тези мъниста (наречени хранителни частици) на животните. Прилагането на магнитно поле даде възможност за възстановяване на хранителни частици и оценка на степента на разграждане на влакната. Животните получиха хранителни частици, които включваха някои, покрити с грахово влакно, богато на молекулата арабинан, и други, покрити с молекулата арабиноксилан. B. vulgatus и B. cellulosilyticus се състезаваха за разграждане на арабин, B. cellulosilyticus разграден арабиноксилан и B. ovatus разградени други молекули (не е показано). б, Когато експериментът беше повторен без B. cellulosilyticus, B. ovatus демонстрира метаболитна гъвкавост, като преминава към разграждане на арабиноксилан. B. ovatus разгражда по-малко арабиноксилан от това B. cellulosilyticus.
В паралелен експеримент мишките бяха колонизирани или с всичките 15 бактериални щама от постния близнак, или с 14 от щамовете (B. cellulosilyticus изключени), преди да им бъдат дадени хранителни частици, съдържащи грахови влакна (фиг. 1). След това се сравнява нивото на разграждане на арабинозата в гранулите, богати на арабин грахови влакна, и се установява, че и в двата случая е еднакво. Това предполага, че в бактериалната общност настъпват някои промени, при липса на B. cellulosilyticus, което позволява арабинозата от граховите влакна да се разгражда толкова, колкото би била, ако присъстваха всичките 15 бактериални щама. Историята може да е различна за другите форми на диетични фибри.
Заедно с хранителните частици, покрити с грахови влакна, животните получават някои, покрити с молекули арабиноксилан (полимер на захарите арабиноза и ксилоза). Въпреки това, в случая на арабиноксилан, бактериалните щамове са по-малко способни да обработват тази молекула, когато B. cellulosilyticus отсъства, отколкото когато е присъствал, и се приписва активността на метаболизиране на арабиноксилан B. ovatus. В отсъствието на B. cellulosilyticus, B. ovatus претърпява метаболитна промяна, която повишава способността му да използва арабиноксилан. Когато и двете B. ovatus и B. cellulosilyticus са отсъствали от бактериалните популации, покритите с арабиноксилан мъниста запазват първоначалните си нива на арабиноза, разкривайки, че нито един от останалите 13 бактериални щама не се е възползвал от наличието на арабиноксилан.
Това проучване разкрива гъвкавостта и адаптивността на чревните микроби в отговор на тяхната хранителна среда. Той осигурява полезен фокус върху специфични форми на диетични фибри и бактериални видове, за които е известно, че са свързани с свързаната с диетата устойчивост на повишаване на мастната тъкан 5. Това „опростяване“ на контекста предлага път напред в разбирането на ключовите гени и протеини на Бактероиди които са от решаващо значение за разграждането на диетичните фибри и които могат да повлияят на изобилието на определени чревни бактерии. Констатациите разкриват и как B. cellulosilyticus може да има доминираща роля във взаимодействието си с определени бактерии, с които може да се конкурира за един и същ източник на храна. Работата разкрива и скрита метаболитна гъвкавост, като способността на B. ovatus да адаптира своята метаболитна стратегия.
Когато оценявате това проучване, струва си да имате предвид това Бактероиди не е единственият вид бактерии, които обикновено използват диетични фибри за храна и че храните, съдържащи фибри, тествани от авторите, не са основните източници на диетични фибри в типичната човешка диета. Освен това изобилието от Бактероиди варира значително между хората 6 и хипотезата, която е от ключово значение Бактероиди видове могат да повлияят на успеха на диетичните усилия за контролиране на затлъстяването, изисква допълнително проучване.
Въпреки че се концентрира върху Бактероиди само работата на Patnode и колегите представлява полезен напредък към разработването на персонализирани хранителни стратегии за приспособяване на чревните микроби в бъдеще. Изследването допълва и други изследвания 7 - 9, които изследват как бактериите в човешките черва могат да допринесат за реакцията на организма към определена диета. Благодарение на Patnode и др., имаме нова представа за това как конкретни видове бактерии използват и се конкурират за диетични фибри. Бъдещите изследвания несъмнено ще продължат да усъвършенстват връзката между богатата на фибри храна и здравето, като вземат предвид ролята на чревната микробна общност.