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I modi sorprendentemente ingegnosi in cui i batteri prosperano nell’intestino umano

Il microbioma intestinale è così utile alla digestione e alla salute umana che viene spesso definito un organo digestivo extra. Questa vasta raccolta di batteri e altri microrganismi nell’intestino ci aiuta a scomporre gli alimenti e a produrre nutrienti o altri metaboliti che influiscono sulla salute umana in una miriade di modi.

Una nuova ricerca dell’Università di Chicago mostra che alcuni gruppi di questi aiutanti microbici sono anche sorprendentemente pieni di risorse, con un ampio repertorio di geni che li aiutano a generare energia per se stessi e potenzialmente a influenzare anche la salute umana.

L’articolo, pubblicato il 4 gennaio 2024 su Nature Microbiology , ha identificato 22 metaboliti che tre famiglie di batteri intestinali lontanamente imparentate utilizzano come alternative all’ossigeno per la respirazione nell’ambiente anaerobico dell’intestino.

Questi batteri hanno anche fino a centinaia di copie di geni per la produzione degli enzimi che elaborano questi metaboliti alternativi, molti di più di quelli misurati nei batteri che vivono al di fuori dell’intestino. Questi risultati suggeriscono che i batteri intestinali anaerobici potrebbero avere la capacità di produrre energia anche da centinaia di altri composti.

“Questi sono esempi di alcuni dei peculiari metabolici che agiscono su tutti questi diversi metaboliti prodotti dal microbioma intestinale “, ha affermato Sam Light, Ph.D., professore assistente di microbiologia della famiglia Neubauer all’Università di Chicago e autore senior dello studio.

“Questo è interessante perché uno dei modi principali in cui il microbioma influisce sulla nostra salute è creando o modificando queste piccole molecole che possono poi entrare nel nostro flusso sanguigno e agire come farmaci”.

A livello dell’organismo, generalmente pensiamo alla respirazione come al processo di inspirazione di ossigeno. A livello cellulare , la respirazione descrive un processo biochimico generatore di energia. La maggior parte delle cellule utilizza l’ossigeno per la respirazione, ma in ambienti anaerobici come l’interno dell’intestino, le cellule si sono evolute per utilizzare altre molecole.

Le cellule possiedono due tipi principali di metabolismo per produrre energia: fermentazione e respirazione. Durante la fermentazione, la cellula scompone le molecole per generare direttamente energia.

La respirazione coinvolge due molecole: un donatore di elettroni e un accettore di elettroni. Un classico esempio di questo processo utilizza il glucosio come donatore e l’ossigeno come accettore. Le cellule scompongono il glucosio trasportando gli elettroni estratti attraverso una serie di passaggi prima del loro trasferimento finale a una molecola di ossigeno. Ciò spinge la cellula a generare ATP, o adenosina trifosfato : la fonte fondamentale di energia da utilizzare e immagazzinare a livello cellulare.

La maggior parte dei microbi che vivono nell’intestino utilizzano la fermentazione, ma esistono anche diversi tipi conosciuti di batteri con metabolismo respiratorio, compresi quelli che utilizzano anidride carbonica e accettori di elettroni solfati.

Per il nuovo studio, Light e i suoi colleghi hanno analizzato un database di oltre 1.500 genomi da un database di batteri intestinali umani. Hanno visto una sorprendente distribuzione di geni che producono reduttasi, che sono enzimi che utilizzano diversi accettori di elettroni respiratori. Mentre la maggior parte dei genomi codifica solo poche reduttasi, un piccolo sottoinsieme ne codifica più di 30 diverse.

Questi batteri non erano strettamente imparentati; provenivano da tre famiglie distinte e lontanamente imparentate (Burkholderiaceae, Eggerthellaceae ed Erysipelotrichaceae) separate da centinaia di milioni di anni di storia evolutiva.

Questi batteri sembrano essere più intraprendenti dei batteri con metabolismo respiratorio che vivono al di fuori di un organismo ospite, che utilizzano principalmente composti inorganici. I batteri respiratori intestinali identificati da Light e dal team sono specializzati in vari metaboliti organici, il che ha senso data la costante fornitura di cibo.

“C’è così tanta materia organica nell’intestino che proviene dal cibo che mangiamo. È chimicamente complessa e sono necessari più enzimi per accoglierla in quell’ambiente”, ha detto Light. “Pensiamo che questa varietà di geni consenta ai batteri intestinali di utilizzare molte cose diverse che incontrano.”

Alcuni dei metaboliti utilizzati hanno anche implicazioni interessanti per la salute umana nell’intestino. Le persone con diabete di tipo 2, ad esempio, hanno livelli più elevati di un sottoprodotto di aminoacidi chiamato imidazolo propionato nel sangue. Un altro metabolita , il resveratrolo, influisce su diversi processi metabolici e del sistema immunitario e l’itaconato è prodotto dai macrofagi in risposta alle infezioni.

Light spera che ulteriori ricerche come questa ci aiuteranno a comprendere la funzione dei diversi microbi nell’intestino, che a sua volta può essere sfruttata per migliorare la salute.

“Spero che la nostra comprensione di questi diversi metabolici e di come funzionano ci consentirà di elaborare strategie per intervenire, sia attraverso la dieta che farmacologicamente, per modulare il flusso dei metaboliti attraverso questi vari percorsi”, ha affermato. “Quindi, in qualunque contesto, come il diabete di tipo 2 o in seguito a un’infezione, potremmo controllare quali metaboliti vengono prodotti per avere un beneficio terapeutico.”

More information: Dietary- and host-derived metabolites are used by diverse gut bacteria for anaerobic respiration, Nature Microbiology (2024). DOI: 10.1038/s41564-023-01560-2 www.nature.com/articles/s41564-023-01560-2

 

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