Tipul de fibră consumată influențează alimentația și colaborarea bacteriilor intestinale
De la amidonul rezistent la pereții celulari ai plantelor, cercetătorii investighează competiția și cooperarea ascunsă dintre bacteriile intestinale, ridicând întrebări interesante despre ceea ce se întâmplă cu diferitele fibre după ce ajung în colon.
Principalele căi de alimentare metabolică a fibrelor dietetice de către microbiota intestinală umană și factorii majori care afectează activitatea microbilor individuali sunt analizați în studii recente. O revizuire narativă din 2021 publicată în Proceedings of the Nutrition Society a sintetizat literatura existentă bioclimatică, microbiologică și genomică pentru a examina cum complexitatea fibrei dietetice influențează microbiota intestinală umană rezidentă.
Autorii au studiat modul în care diferențele din structura carbohidraților dietetici influențează bacteriile intestinale capabile să descompună fibrele și cum alte microorganisme utilizează nutrienții și produsele de fermentație rezultate. Împreună, aceste microorganisme produc acizi grași cu lanț scurt (SCFA; predominant acetat, propionat și butirat), care pot influența metabolismul energetic al gazdelor și procesele inflamatorii. Butiratul, de asemenea, oferă energie celulelor din mucoasa colonului.
Progresele în metodele de secvențiere, imagistică și calcul au permis cercetătorilor să caracterizeze comunitatea microbiană complexă („microbiota”) din intestinul gros uman, care contribuie la menținerea sănătății fiziologice și la patogeneza bolii. Cercetările microbiologice și nutriționale au arătat că intervențiile dietetice și modelele alimentare obișnuite pot altera compoziția și funcția microbiotei intestinale, subliniind importanța fibrei dietetice în sprijinul fermentației microbiene.
Studiile dietelor occidentale indică faptul că aproximativ o treime până la jumătate din fibra dietetică totală provine din produse din cereale, urmate de legume, fructe, cartofi și leguminoase. În mod tradițional, descrierile nutriționale au tratat fibra dietetică, care constă în principal din carbohidrați ce scapă digestiei în tractul gastrointestinal superior, ca pe un nutrient omogen.
Cercetările demonstrează că carbohidrații dietetici variază considerabil în ceea ce privește proprietățile biochimice și fizice, pornind de la celuloza microfibrilară insolubilă, cristalină, care oferă o structură de sprijin plantelor, până la pectinele de solubilitate variabilă și amidonul rezistent (RS; fracții de amidon care rezistă descompunerii de către amilaza pancreatică sau rămân fizic inaccesibile enzimelor digestive). Fibrele din celulele vegetale intacte sau particulele alimentare insolubile pot fi mai puțin accesibile enzimelor microbiene decât carbohidrații purificați, ceea ce poate afecta care specii bacteriene pot să le utilizeze.
Deși beneficiile potențiale ale fermentației microbiene sunt recunoscute pe scară largă, modul în care structura carbohidraților modelează competiția și cooperarea bacteriană rămâne incomplet înțeles, în special în cadrul matricei alimentare intacte.
Revizuirea a vizat abordarea acestor lacune mecanistice prin examinarea modului în care carbohidrații complecși sunt descompuși enzimatic între grupuri funcționale bacteriene distincte și implicațiile posibile pentru recomandările dietetice. Autorii au descris substraturile dietetice în două clase arhitecturale largi: carbohidrați din pereții celulari ai plantelor, contrastând pereții celulari de tip I din dicotiledone (bogate în pectine și xyloglucani) cu pereții celulari de tip II din cereale (bogate în arabinoxilani și β-glucani cu legături mixte), și carbohidrați de stocare din plante, inclusiv tipurile 1 până la 5 de amidon rezistent.
De asemenea, au examinat organizarea genomică a enzimelor active pe carbohidrați (CAZyme), inclusiv hidrolaze de glicozide (GH), liasa de polisaharide (PL) și esteraze de carbohidrați (CE), comparând strategiile distincte de hrănire ale generalistelor metabolice și specialiștilor. Studiile revizuite au descris strategii fiziologice extrem de divergente utilizate de bacteriile intestinale pentru a accesa carbohidrații recalcitranți. Anumite specii de Bacteroides din phylumul Bacteroidetes posedă mai mult de 100 de locusuri discrete de utilizare a polisaharidelor (PUL; clustere genetice care codifică enzime degradante de carbohidrați, sisteme de transport și legare a substratului și funcții de reglementare), permițându-le să recunoască și să prioritizeze diferite carbohidrați.
Speciile din phylumul Firmicutes au, în medie, un număr mai mic de CAZyme decât membrii Bacteroidetes, cu variații substanțiale între specii, dar unele dispun de mașini extracelulare specializate pentru achiziția țintită a carbohidraților. Ruminococcus champanellensis utilizează celulosome multienzimatice (complexe mari de proteine ancorate la suprafața celulară prin domenii de coeziune și dockerină) pentru a degrada celuloza cristalină. O altă specie, Ruminococcus bromii, produce amilosome ancorate la suprafață, complexe multienzimatice care vizează amidonul și pot explica rolul său esențial în degradarea amidonului rezistent.
Studiile de laborator au arătat că eliberează glucoză și maltoză pe care alte bacterii intestinale le pot folosi. În cadrul unei intervenții dietetice controlate cu amidon rezistent ridicat, doi participanți cu niveluri foarte scăzute sau nedetectabile ale acestei bacterii au excretat o mare fracție din amidonul rezistent consumat. Autorii au examinat, de asemenea, limitările previziunii funcțiilor microbiene din informațiile genetice. Au descris Coprococcus eutactus, al cărui genom conține gene pentru enzime asociate cu degradarea celulozei, dar care nu a crescut pe celuloză în teste de laborator. Acest lucru demonstrează de ce funcțiile bacteriene nu pot fi întotdeauna deduse din secvențele ADN-ului.
Alte dovezi descriu căile de alimentare metabolică transversale în care bacteriile folosesc produsele de fermentație eliberate de alte specii. Anumite bacterii care utilizează lactatul convertesc lactatul acumulat în butirat sau propionat, ajutând la limitarea concentrațiilor care ar putea scădea pH-ul intestinal și perturba comunitățile microbiene. Coprococcus catus produce în principal butirat din fructoză, dar în principal propionat atunci când utilizează lactat. Extinderea cooperării variază, de asemenea. Anumiți degradatori primari eliberează carbohidrați pentru bacteriile vecine, în timp ce altele păstrează un acces mai mare la propriile produse de descompunere.
Disponibilitatea substratului dietetic și factorii de mediu pot influența, de asemenea, competiția microbiană. Studiile de cultură continuă a comunităților fecale umane au descoperit niveluri relative mai ridicate de Bacteroidetes la pH 6,5 și de Firmicutes la pH 5,5. Toleranța la acid variază între specii: Eubacterium rectale a crescut bine la un pH inițial de 5,1, în timp ce creșterea Roseburia inulinivorans a fost sever restricționată sub pH 5,5.
Concluziile acestei revizuiri indică faptul că structura carbohidraților, accesibilitatea fiz
