Un model matematic inovator analizează rolul microbilor în digestia umană
Etichetele alimentare fac ca numărul de calorii să pară simplu. Acestea indică numărul de calorii per porție, calculat pe baza conținutului de grăsimi, carbohidrați și proteine al alimentului.
Însă, în interiorul corpului, digestia este mult mai complexă. Alimentele trec printr-un ecosistem microbian viu care poate influența câte din acele calorii sunt, de fapt, absorbite de organism.
Un nou model matematic dezvoltat de cercetătorii de la Universitatea de Stat din Arizona analizează mai atent această parte ascunsă a digestiei. Modelul, denumit DAMM – pentru digestie, absorbție și metabolism microbian – urmărește alimentele prin tractul digestiv, estimând ce absoarbe direct corpul, ce ajunge în colon și cum ajută microbiota intestinală la procesarea materialului rămas în produse care fie sunt absorbite, fie sunt excretate.
Acest model ar putea ajuta cercetătorii să înțeleagă mai bine obezitatea, diabetul și alte tulburări metabolice, arătând cum diferite diete afectează atât organismul uman, cât și comunitatea microbiană din colon.
Cu mai multe cercetări, ar putea deveni un instrument pentru a ajuta furnizorii de servicii medicale să conceapă diete mai personalizate pentru pacienții lor.
Digestia nu este doar un proces uman – este o colaborare între corpurile noastre și trilioane de microbi care trăiesc în intestin. DAMM ne oferă o nouă modalitate puternică de a cuantifica cum contribuie acești parteneri microbieni la sănătatea și echilibrul energetic al oamenilor, subliniind totodată importanța hrănirii corespunzătoare a microbiotei intestinale.
Rosa Krajmalnik-Brown conduce Centrul Biodesign pentru Sănătate prin Microbiome. Este și profesor la Școala de Inginerie Sustenabilă și Mediu construit la ASU.
Alături de Krajmalnik-Brown se află colegii de la ASU, inclusiv Bruce Rittmann, care conduce Centrul Biodesign Swette pentru Biotehnologia Mediului și este profesor regent de inginerie ambientală la ASU, și Taylor Davis, asistent de cercetare absolvent la ASU. Această cercetare a fost realizată în colaborare cu Institutul de Cercetare Translațională AdventHealth din Orlando, Florida.
Cercetarea a fost publicată în numărul curent al revistei PLOS One.
Pentru mai bine de un secol, oamenii de știință s-au bazat pe parametrii Atwater pentru a estima energia pe care oamenii o obțin din alimente, măsurată în calorii. Metoda multiplică cantitatea de proteine, carbohidrați și grăsimi din aliment cu calorii metabolizabile medii pe gram din fiecare.
Sistemul este simplu și util, dar nu surprinde partea microbiană a digestiei, inclusiv cum diferite diete hrănesc microbiota intestinală sau cum acești microbi produc compuși precum acizii grași cu lanț scurt din fibră și alte alimente nedigerate în colon.
Noile cercetări se bazează pe un studiu cu dietă controlată care a examinat cum microbiomul intestinal afectează echilibrul energetic uman. Microbiomul intestinal este vasta comunitate de bacterii și alți microbi care trăiesc în tractul digestiv.
În studiu, adulții sănătoși au consumat două diete atent concepute: o dietă care îmbunătățește microbiomul, bogată în fibră și amidon rezistent (alimente mai puțin procesate și alimente cu dimensiuni mai mari ale particulelor) versus o dietă occidentală tipică, sărăcită în aceste componente (alimente mai procesate și dimensiuni mai mici ale particulelor). Persoanele care au consumat dieta occidentală au absorbit cu aproximativ 116 calorii mai mult pe zi decât cei care au urmat dieta bogată în fibră. Totuși, grupul care consuma dieta bogată în fibră nu s-a simțit mai flămând.
„Ce este cu adevărat unic în modelul DAMM este că leagă cantitativ metabolismul uman de metabolismul microorganismelor din colon într-un mod care se potrivește cu rezultatele studiului clinic și oferă o înțelegere fundamentală despre cum comunitatea microbiană lucrează în parteneriat cu gazda umană,” a declarat Rittmann.
DAMM începe prin a împărți o dietă în nutrienții care compun proteinele, carbohidrații și grăsimile; apoi, estimează câtă energie utilizabilă din acele componente este absorbită în tractul digestiv superior.
Apoi, urmează materialul în colon, unde microbiota intestinală descompune componentele alimentelor rămase care au scăpat de digestia anterioară. În acest proces, aceștia produc acizi grași cu lanț scurt, care pot fi absorbiți prin colon și utilizați de organism ca calorii suplimentare. Modelul ia în considerare și producția de metan de către anumite microbi cunoscuți sub numele de metanogeni.
Această contribuție microbiană este semnificativă. Modelul a estimat că acizii grași cu lanț scurt absorbiți din colon au contribuit cu o medie de aproximativ 140 de calorii pe zi, ceea ce reprezintă aproximativ 7,4% din energia totală utilizabilă. Aproximativ 85% din energia utilizabilă provine din tractul gastrointestinal superior, în timp ce aproximativ 15% provine din tractul gastrointestinal inferior, unde activitatea microbiană joacă un rol central.
Când cercetătorii au testat DAMM în raport cu rezultatele studiului cu dietă controlată, acesta s-a apropiat mai mult decât abordarea standard Atwater de estimarea câtor calorii au absorbit efectiv oamenii din alimente. Metoda standard tindea să subestimeze caloriile absorbite, în timp ce DAMM a produs estimări care se potriveau mai bine cu măsurătorile studiului.
Modelul a surprins de asemenea diferențe semnificative între dietele bogate și sărace în fibră. Dieta care îmbunătățește microbiomul a livrat mai mult material fermentabil în colon, unde microbiota putea să-l convertească în acizi grași cu lanț scurt.
DAMM a prezis o producție mai mare de acizi grași cu lanț scurt în această dietă, reflectând modelul general observat în studiul clinic, unde niveluri mai mari de acizi grași cu lanț scurt au fost observate în măsurătorile serice și fecale.
Acizii grași cu lanț scurt sunt mai mult decât simple subproduse ale digestiei. Aceștia se formează atunci când microbiota intestinală fermentează fibră și alte componente alimentare care nu au fost absorbite anterior în timpul digestiei, iar o parte din acizii grași pot fi absorbiți de organism și utilizați ca calorii. Însă, aceasta este doar o parte din echilibrul caloric general. Dieta care îmbunătățește microbiomul a dus la un număr mai mic de calorii nete absorbite în total, chiar dacă a crescut activitatea microbiană și producția de acizi grași cu lanț scurt.
DAMM ajută cercetătorii să separe aceste componente ale procesului, arătând ce absoarbe corpul direct, ce produc microbiota și ce este, în final, absorbit sau excretat.
„Modelul DAMM este mai mult decât un instrument pentru caracterizarea dietei,” a spus Davis. „Este un cadru conceput să evolueze. Pe măsură ce descoperim mai multe despre cum interacționează dieta, metabolismul și microbiota, noile informații pot fi incorporate în model, permițându-i să crească împreună cu noi pe măsură ce învățăm
