L. casei DG^®: esopolisaccaridi unici dalle molteplici attività

Gli esopolisaccaridi (EPS) batterici sono biopolimeri formati da più unità zuccherine (monosaccaridi) o loro derivati differenti per struttura e composizione. Si parla di omopolisaccaridi se composti dallo stesso zucchero (es: cellulosa, destrano), di eteropolisaccaridi se sono presenti diversi omosaccaridi (es: xantano) che ne aumentano la variabilità ¹.

I batteri lattici probiotici ne sono i maggiori produttori, Lactobacillus, Lactococcus, Bifidobacterium, Leuconostoc, Pediococcus, Streptococcus, Enterococcus e Weissella sp in particolare ². La quantità e il tipo di EPS prodotto è però diversa in base al ceppo e alle condizioni in cui esso si trova (pH, temperatura, rapporto carbonio/idrogeno). Nonostante la loro esistenza sia nota da tempo, possiamo ulteriormente approfondirne le caratteristiche e identificarne di nuovi grazie alle moderne tecniche di analisi genetica.

È il caso, ad esempio, di L. casei DG® (Lactobacillus paracasei CNCM I-1572) al quale è stato ricondotto un EPS unico (DG-EPS), non ancora identificato in altri ceppi probiotici appartenenti al gruppo L. casei (Shirota, LPC-S01, N1115). ²

L’analisi comparativa con altri genomi della stessa specie ha portato infatti all’identificazione nel genoma del ceppo L. casei DG® di due diverse regioni codificanti open reading frame (ORF) coinvolte nella biosintesi di molecole di EPS. In particolare, mentre la regione EPS-a è comune a tutti i genomi di L. paracasei studiati, EPS-b ha una sequenza unica, che non trova corrispondenza con altre sequenze presenti in GenBank, con una struttura chimica ben definita. ²

In quest’ultima, rispetto agli EPS prodotti da altri batteri lattici o da altre specie del gruppo L. casei (L. casei, L. paracasei e Lactobacillus rhamnosus), è risultato più elevato il numero di unità di ramnosio che rappresenta i due terzi della struttura polimerica (L-ramnosio, D galattosio e N-acetil-D-galattosammina, 4:1:1). ²

Ma a cosa servono gli esopolisaccaridi? Una protezione per i probiotici

Gli esopolisaccaridi vengono sintetizzati e rilasciati nell’ambiente esterno e rivestono il batterio stesso per favorirne l’adesione e proteggerlo da stress ambientali quali essiccamento, sostanze tossiche, patogeni, stress osmotico, ambiente gastrointestinale (acidi e sali biliari in primis). ^3,4

La somministrazione di probiotici ha da tempo dimostrato molteplici benefici per la salute. Per poter esercitare tali effetti è però essenziale che arrivino vivi e vitali all’intestino e che siano in grado di colonizzarlo. Per aumentarne, ove necessario, la resistenza nei confronti di diversi fattori aggressivi, quali acidi e sali biliari, si stanno sviluppando metodi di stabilizzazione/incapsulamento basato su carboidrati che ne permettano il rilascio una volta raggiunta la sede intestinale.

Il ceppo L. casei DG® produce un EPS unico e non è necessario un ulteriore metodo di stabilizzazione/incapsulamento. Queste molecole, infatti, formano una sorta di “microincapsulazione naturale” che consente ai probiotici di raggiungere il target vivi e vitali.

Oltre a rivestire il batterio, a prolungare la conservazione dei cibi fermentati e ad offrire vantaggi formulativi per l’industria farmacologica (controllo del rilascio, chelanti metallici ecc.), gli EPS hanno dimostrato molteplici attività biologiche strettamente correlate alle loro caratteristiche chimico-fisiche inclusa quella anti-ossidante, antibatterica, immunomodulante, regolatrice del colesterolo, anti-virale, anti-ulcera. ^1,3-8

Azioni principali

Attività antiossidante

Durante il normale metabolismo cellulare in ogni organismo vengono prodotte specie reattive dell’ossigeno o ROS (es: superossido, perossido di idrogeno) che, se non sono tenute sotto controllo, possono contribuire allo sviluppo di varie patologie tra le quali cancro, aterosclerosi o artrite reumatoide.

I batteri lattici sono in grado di neutralizzare questi metaboliti potenzialmente dannosi grazie alla secrezione di enzimi anti-ossidanti (superossido dismutasi) oppure favorendone l’eliminazione “non-enzimatica” mediata dal glutatione.

Inoltre, svariati ceppi hanno dimostrato di agire anche mediante i loro EPS. Tra questi troviamo ad esempio batteri appartenenti al genere Lactobacillus o Weissella. ^1,6

Azione antimicrobica

L’attività antimicrobica degli EPS, estesa a Gram positivi e negativi, è principalmente legata alla loro capacità di interferire con la creazione del biofilm indispensabile per la colonizzazione del patogeno e con la comunicazione cellulare e di danneggiare (in alcuni casi) la sua stessa integrità. ^1,3,6

Studi in vitro hanno dimostrato una forte azione inibitoria da parte di batteri appartenenti a diverse specie di Lactobacillus nei confronti di patogeni, quali ad es. E. coli, Salmonella typhimurium e Listeria monocytogenes. ⁶

Attività immunomodulante

Numerosi batteri lattici e relativi EPS hanno dimostrato di influenzare il sistema immunitario dell’ospite supportandone le difese in caso di infiammazione e/o infezione attraverso la regolazione di linfociti T/B, natural killer (NK), macrofagi, citochine (interleukin-1 (IL-1), interleukin-10 (IL-10), nuclear factor-kB (NF-kB)), cellule dendritiche, immunoglobuline.

L’attività immunomodulante degli EPS è però strettamente correlata alle loro proprietà chimico-fisiche (peso molecolare, composizione monosaccaridica, solubilità in acqua, carica elettrica, conformazione). Una carica negativa (data dalla presenza del gruppo fosfato) sembrerebbe infatti aumentare la risposta immunitaria, un alto peso molecolare invece diminuirla. ^1,3-8

Nello specifico, l’EPS ricavato da L. casei DG® ha dimostrato, in uno studio in vitro, proprietà immunostimolanti associate alla modulazione positiva dell’espressione genica delle citochine proinfiammatorie TNF-α e IL-6 e, in particolare, delle chemochine IL-8 e CCL20. ²

EPS di L. casei DG®

Come anticipato, tra i batteri lattici, L. casei DG® ha dimostrato in uno studio in vitro non solo di sintetizzare quantità importanti di EPS, ma anche di produrne con struttura e proprietà uniche (DG-EPS). Tali molecole sembrerebbero essere responsabili della capacità del ceppo di interagire con l’ospite, esercitando un’azione immunoregolatoria, in grado di influenzare positivamente anche il pathway infiammatorio. ²

Conclusioni

Gli esopolisaccaridi, prodotti dai batteri lattici, offrono numerosi e peculiari vantaggi in campo industriale e terapeutico grazie alle loro proprietà anti-ossidanti, anti-microbiche ed immunomodulanti.

Ad oggi i dati disponibili sono ottenuti principalmente da studi in vitro, ma le prospettive sono davvero promettenti.

In futuro, per poter sfruttare pienamente le proprietà benefiche degli EPS, come avviene di consueto, sarà necessario effettuare ulteriori approfondimenti, soprattutto in ambito clinico.

Contenuto realizzato con il contributo incondizionato di SOFAR SpA

Riferimenti

1. Zhou Y, Cui Y, Qu X. Exopolysaccharides of lactic acid bacteria: Structure, bioactivity and associations: A review. Carbohydrate Polymers 2019; Pages 317-332, doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.11.093.
2. Balzaretti S, Taverniti V, Guglielmetti S, Fiore W, Minuzzo M, Ngo HN, Ngere JB, Sadiq S, Humphreys PN, Laws AP. A novel rhamnose-rich hetero-exopolysaccharide isolated from Lactobacillus paracasei DG activates THP-1 human monocytic cells. Appl Environ Microbiol 2017; 83:e02702-16. https://doi.org/10.1128/AEM.02702-16.
3. Abdalla AK, Ayyash MM, Olaimat AN, Osaili TM, Al-Nabulsi AA, Shah NP and Holley R. Exopolysaccharides as Antimicrobial Agents: Mechanism and Spectrum of Activity. Front. Microbiol 2021; 12:664395. doi: 10.3389/fmicb.2021.664395
4. Oerlemans MMP, Akkermana R, Ferrari M, Walvoort MTC, de Vos P. Benefits of bacteria-derived exopolysaccharides on gastrointestinal microbiota, immunity and health. Journal of Functional Foods 2021; 7: 104289. doi.org/10.1016/j.jff.2020.104289
5. Saadat YR, Khosroushahi AY, Gargari BP. A comprehensive review of anticancer, immunomodulatory and health beneficial effects of the lactic acid bacteria exopolysaccharides. Carbohydrate Polymers 2019; Vol 217, Pages 79-89, https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.04.025.
6. Angelin J, Kavitha M. Exopolysaccharides from probiotic bacteria and their health potential. International Journal of Biological Macromolecules 2020; 162: 853–865 doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.06.190
7. Laiño J, Villena J, Kanmani P, Kitazawa H. Immunoregulatory Effects Triggered by Lactic Acid Bacteria Exopolysaccharides: New Insights into Molecular Interactions with Host Cells. Microorganisms 2016; 4(3):27. doi: 10.3390/microorganisms4030027
8. Riaz Rajoka MS, Wu Y, Mehwish HM, Manish B, Zhao L. Lactobacillus exopolysaccharides: New perspectives on engineering strategies, physiochemical functions, and immunomodulatory effects on host health. Trends in Food Science & Technology 2020; 103: 36–48. doi.org/10.1016/j.tifs.2020.06.003