Comunitățile microbiene sintetice dezvăluie influența dietei asupra microbiomului
Simplificând complexitatea microbiană a intestinului, comunitățile microbiene sintetice pot ajuta cercetătorii să identifice modul în care anumite alimente influențează funcția microbiană, sănătatea gazdelor și viitoarele terapii bazate pe nutriție.
Într-un articol recent publicat în revista npj Biofilms and Microbiomes, un grup de autori a investigat modul în care comunitățile microbiene sintetice (SynComs) pot fi utilizate pentru a descoperi mecanismele prin care componentele dietetice influențează compoziția microbiană intestinală, funcția acesteia și sănătatea gazdelor.
Trilioane de microorganisme care trăiesc în intestinul uman ajută la digestia alimentelor, produc vitamine, reglează imunitatea și influențează chiar dezvoltarea creierului. Schimbările în dietă pot avea un impact major asupra microbiotei intestinale, dar, datorită complexității acesteia, încă mai există multe de învățat despre modul în care diferitele alimente afectează comportamentul microbian. Cercetătorii folosesc acum SynComs pentru a studia comportamentul microbian în condiții controlate. Este necesară o cercetare suplimentară pentru a determina modul în care aceste sisteme pot fi traduse în nutriție personalizată și terapii bazate pe microbiom.
Un set divers de microbi compune microbiota intestinală umană și contribuie la digestie, producția de vitamine, reglementarea sistemului imunitar, producția de acizi grași cu lanț scurt și protecția împotriva organismelor dăunătoare. Compoziția microbiotei intestinale este influențată de mai mulți factori, inclusiv vârsta, dieta, locația geografică, genetica, utilizarea medicamentelor și stilul de viață. Dieta are una dintre cele mai mari influențe asupra compoziției și activității microbilor intestinali. Cu toate acestea, studiul efectelor dietetice directe în comunitățile microbiene naturale complexe este dificil, deoarece numeroase specii microbiene interacționează simultan.
SynComs permit cercetătorilor să simplifice microbiomul intestinal, păstrând, în același timp, taxa reprezentativă selectată și capacitățile metabolice cheie. Ele ajută, de asemenea, la distingerea efectelor microbiene de influențele legate de gazdă atunci când sunt combinate cu modele asociate gazdelor sau animalelor.
Comunitățile sintetice simple pot conține doar câteva specii microbiene și sunt utile pentru examinarea unor căi metabolice sau interacțiuni microbiene specifice. Comunitățile mai complexe conțin un număr mai mare de microorganisme și imită mai bine ecosistemele intestinale naturale, păstrând, în același timp, controlul experimental.
Un pas important în dezvoltarea unui SynCom este selectarea tulpinilor de microorganisme adecvate. Cercetătorii își obțin adesea izolații microbieni din probe fecale sau dintr-o colecție de culturi de microorganisme cunoscute. Factorii considerați în selectarea tulpinilor includ relevanța ecologică, activitatea metabolică și capacitatea de a reprezenta diferite stadii ale vieții umane. Caracteristicile relevante care pot fi evaluate, în funcție de întrebarea de cercetare, includ metabolismul carbohidraților, producția de butirat, transformarea acizilor biliari, fermentarea aminoacizilor și interacțiunile de tip cross-feeding.
Cercetătorii studiază comportamentul SynCom-urilor folosind sisteme bazate pe laborator și modele asociate gazdelor. Aceștia pot manipula cu precizie condițiile de mediu utilizând modele in vitro, cum ar fi fermentarea în loturi și chemostate, precum și alte sisteme de fermentare continuă. Culturile în loturi sunt ideale pentru studiile pe termen scurt ale reproducerii microbiene și producției de metaboliți, în timp ce alte sisteme avansate, inclusiv Simulatorul Ecosistemului Microbian Intestinal Uman (SHIME), TIM-2 și platformele gut-on-chip, oferă stabilitate pe termen lung și condiții realiste asemănătoare intestinului. Aceste sisteme pot simula fluxul de nutrienți, tranzitul intestinal și mediile mucoase.
Animalele gnotobiotice sau germ-free colonizate cu SynCom-uri definite permit cercetătorilor să evalueze impactul microbilor asupra dezvoltării sistemului imunitar, funcției barierei intestinale, metabolismului și susceptibilității la boli. Aceste tipuri de modele servesc ca legături între experimentele controlate din laborator și biologia integrată gazdă-microb.
Dieta are un impact semnificativ asupra compoziției și funcției microbiotei intestinale. Microbii care fermentează carbohidrații pentru a crea acizi grași cu lanț scurt prosperă în diete bogate în fibre, în timp ce dietele bogate în grăsimi pot favoriza taxele tolerante la bilă și utilizatoare de lipide, iar dietele bogate în proteine pot îmbogăți fermentatorii de aminoacizi și pot crește producția de acizi grași ramificați. Studiile cu SynCom-uri permit cercetătorilor să demonstreze modul în care diferite tipuri de alimente, cum ar fi oligozaharidele din laptele uman, pot influența tipurile de microbi prezente; în plus, tehnicile multi-omics și modelarea computațională au oferit informații importante despre natura interacțiunilor dintre microbi și posibilele răspunsuri funcționale la modificările dietetice.
SynCom-urile reprezintă un instrument de cercetare excelent pentru examinarea bolilor asociate cu dieta și microbiota, cum ar fi obezitatea, diabetul de tip 2, boala inflamatorie intestinală (IBD), cancerul colorectal, bolile alergice, astmul și tulburările neurodezvoltării. Prin facilitarea manipulării controlate a compoziției microbiene, SynCom-urile oferă dovezi mecaniste mai puternice despre patologia bolii și identifică căile microbiene care contribuie la etiologia bolii decât studiile observaționale. De asemenea, acestea sunt utilizate pentru a evalua preclinic efectele probiotice, prebiotice, sinbiotice și interacțiunile medicament-microbiom.
Cultivarea microorganismelor anaerobe stricte este o provocare tehnică, iar menținerea comunităților microbiene stabile pe perioade lungi poate fi dificilă. De asemenea, este foarte greu de prezis care specii vor coexista, deoarece atât condițiile de mediu, cât și disponibilitatea resurselor influențează interacțiunile microbiene. În plus, cercetătorii nu urmează protocoale standardizate pentru dezvoltarea SynCom-urilor, ceea ce face dificilă compararea rezultatelor între studii. Recenzia propune, de asemenea, o listă minimă de raportare pentru studiile SynCom axate pe dietă, aliniată la cadrele de raportare mai ample, pentru a îmbunătăți reproducibilitatea și comparabilitatea.
Viitoarele progrese în tehnologiile SynCom ar trebui să le facă și mai realiste și utile. Avansurile în multi-omics, designul comunității funcționale asistat de AI, modelarea ecologică, testarea organoidului și gut-on-a-chip vor ajuta toate SynCom-urile să prezică mai bine rezultatele funcționale. De asemenea, cercetătorii extind SynCom-urile dincolo de bacterii pentru a include fungi, viruși și archaea, creând comunități multi-regn care reflectă mai exact mediul intestinal natural. Aceste progrese pot susține, în cele din urmă, nutriția personalizată și dezvoltarea terapeutică bazată pe microbiom.
Cercetătorii au concluzionat că SynCom-urile reprezintă o abordare puternică și versatilă pentru investigarea relațiilor complexe dintre dietă, microorganismele intestinale și sănătatea gazdelor. Aceste SynCom-uri definite pot întări inferențele cauzale despre componentele dietetice
