Alcuni batteri intestinali usano il formiato come un taxi per elettroni

Uno studio, pubblicato su Gut Microbes, indaga il metabolismo di Blautia luti, un batterio acetogeno intestinale privo di formiato deidrogenasi, evidenziando il ruolo del formiato come trasportatore centrale di elettroni nell’intestino.

Il microbiota intestinale umano ha un impatto significativo sulla salute e sulle malattie. Il genere Blautia è considerato benefico per l’uomo  grazie alla produzione di acidi grassi a catena corta, succinato e alla sua attività antibatterica. Le specie di Blautia sono batteri acetogeni che utilizzano la via metabolica di Wood-Ljungdahl (WLP) per produrre acetato ed energia (ATP). Sono stati identificati ceppi di Blautia con una WLP insolita, priva di formiato deidrogenasi, e questo studio indaga la fisiologia di B. luti.

Il formiato come metabolita centrale

B. luti non possiede un gene che codifica per la formiato deidrogenasi, ma il formiato può essere somministrato direttamente nel terreno di coltura WLP. Quindi, come viene prodotto il formiato durante la crescita su tutti gli zuccheri testati?

B. luti ha mostrato due copie di un gene che codifica per la piruvato-formiato liasi (PFL) per la produzione di formiato. Infatti, l’inibizione della PFL durante la fermentazione del glucosio ha ridotto il tasso di crescita ed eliminato la produzione di formiato. Inoltre, la produzione di acetato è risultata ridotta, il lattato è stato il principale prodotto finale della fermentazione e la produzione di succinato è diminuita solo leggermente.

Effetti di inibizione simili sono stati osservati durante la fermentazione del maltosio e del sorbitolo; il prodotto principale si è spostato verso il lattato. Pertanto, la PFL sembra essere essenziale per l’ossidazione del piruvato nella crescita eterotrofa di B. luti, poiché la sua inibizione reindirizza il metabolismo. D’altro canto, la produzione di lattato aumenta quando la produzione di formiato viene inibita, con vie metaboliche attive che coinvolgono la piruvato-ferredossina-ossidoreduttasi (PFOR).

Attività enzimatiche

Le attività di PFL e PFOR sono state quindi misurate in estratti grezzi di B. luti coltivato su glucosio, confermando la loro attività in presenza di CoA. Inoltre:

• Il piruvato può essere metabolizzato da PFL per la produzione di acetil-CoA e formiato, da PFOR per la produzione di acetil-CoA e ferredossina ridotta, e dalla lattato deidrogenasi per la produzione di lattato.
• L’aggiunta di Na⁺-fosfinato ha inibito l’attività di PFL e ha causato un cambiamento nel metabolismo verso la produzione di lattato, soprattutto durante la crescita su sorbitolo, che ha anche aumentato l’attività di PFOR rispetto a glucosio e maltosio.
• L’attività della lattato deidrogenasi NADH-dipendente è rimasta inalterata dal Na⁺-fosfinato su diversi substrati.
• Sono state esplorate le vie metaboliche per la produzione di succinato in B. luti, confermando i pathway che passano attraverso la PEP carbossichinasi e la malato deidrogenasi decarbossilante.
• L’attività della fumarato reduttasi era più elevata negli estratti di cellule cresciute su maltosio o sorbitolo.
• Il fosfinato di sodio ha ridotto l’attività della malato deidrogenasi nelle cellule cresciute su glucosio, ma l’ha aumentata in quelle cresciute su sorbitolo, indicando potenziali fonti alternative di elettroni durante la fermentazione.
• L’attività dell’idrogeno:MV-ossidoreduttasi in B. luti era bassa rispetto ad altri acetogeni e la produzione di idrogeno diminuiva in presenza di fosfinato di sodio.
• Il passaggio metabolico da PFL e PFOR verso la produzione di lattato offre una fonte alternativa di elettroni, suggerendo un potenziale vantaggio energetico in specifiche condizioni di crescita.

Nel complesso, la PFL è fondamentale per il metabolismo eterotrofo di B. luti, in particolare in condizioni di assenza di formiato deidrogenasi.

I ricercatori hanno anche studiato il flusso di carbonio durante la fermentazione del glucosio in assenza di produzione di biomassa, dimostrando che:

• Le cellule fermentano il glucosio in acetato, succinato, formiato e idrogeno e viene prodotto solo una traccia di lattato
• Le cellule a riposo di B. luti necessitano di CO₂/KHCO₃ per la fermentazione del glucosio, a dimostrazione del ruolo essenziale della CO₂ in questo processo.
• La fermentazione del glucosio in presenza del 20% di CO₂ ha mostrato un aumento significativo dei livelli di acetato.
• Inizialmente si è osservata la produzione di formiato, seguita da un consumo completo, senza produzione di idrogeno.

Incubando in presenza di idrogeno e CO₂, la produzione di acetato è aumentata, con una produzione iniziale di formiato, successivamente consumato.

I risultati suggeriscono condizioni mixotrofiche nel colon, dove il formiato funge da trasportatore di elettroni tra le specie batteriche.

Idrogenasi di B. luti

Le cellule a riposo di B. luti utilizzano l’idrogeno come donatore di elettroni, mentre le cellule in crescita producono idrogeno come prodotto finale della fermentazione. Pertanto, lo studio ha ulteriormente indagato i tipi di idrogenasi presenti in B. luti. Dai dati ottenuti è emerso che:

• Il genoma di B. luti contiene due geni codificanti per idrogenasi: hydA e hydM, vicini tra loro.
• Il gene hydA fa parte di un cluster con hydB e hydC, simile a quello presente in Acetobacterium woodii, mostrando un’identità di sequenza aminoacidica compresa tra il 41% e il 57%. Motivi di legame conservati per i cofattori nelle idrogenasi di A. woodii sono presenti anche in B. luti.
• HydM non è associato ad altri geni e si ipotizza che codifichi per un’idrogenasi [FeFe] di gruppo B in base alle sue caratteristiche strutturali, inclusi motivi di sequenza per quattro cluster 4Fe-4S e un cluster H.
• HydM condivide un’identità di sequenza aminoacidica del 36% con la corrispondente idrogenasi [FeFe] in B. fragilis, ma è strutturalmente simile, mantenendo due domini globulari e la tipica disposizione dei cluster.
• Si ipotizza che le idrogenasi [FeFe] di gruppo B, inclusa HydM, producano idrogeno utilizzando la ferredossina ridotta come donatore di elettroni.
• HydM è stata identificata anche in diverse specie di Blautia, con identità di aminoacidi che variano dal 71,9% al 99,8%.

Ricostruzione del percorso di fermentazione del glucosio

Per scoprire quale idrogenasi B. luti utilizza durante la crescita su glucosio, lo studio ha analizzato l’abbondanza di trascritti di hydA e hydM. Come controllo, è stato amplificato il gene della fumarato reduttasi (frdAB), correlato alla produzione di succinato durante la crescita su glucosio.

I ricercatori hanno oservato che hydM è stata espressa a bassi livelli, mentre hydA non ha mostrato alcuna espressione, indicando un’attività di produzione di idrogeno relativamente bassa nell’estratto di B. luti.

Conclusioni

Questo studio ha chiarito nuove caratteristiche della fisiologia dei batteri del genere Blautia, concentrandosi sulle specie prive di formiato deidrogenasi. Questi batteri svolgono un ruolo cruciale per la salute intestinale attraverso la fermentazione dei carboidrati e la produzione di acidi grassi a catena corta come acetato, lattato e succinato, insieme a moderate quantità di formiato e idrogeno, metaboliti chiave per il cross-feeding intestinale. Inoltre, le specie di Blautia possono contribuire a prevenire l’accumulo di sostanze tossiche come formiato, CO₂ o idrogeno nell’intestino.