La vita segreta di Saccharomyces boulardii nell’intestino

Saccharomyces boulardii utilizza principalmente l’ossidazione degli acidi grassi e degli amminoacidi come fonte di energia, e possiede una capacità di adattamento metabolica e meccanismi di resistenza allo stress. Questi risultati illustrano la colonizzazione di S. boulardii da una prospettiva trascrittomica e forniscono una base per un’ulteriore esplorazione delle potenziali applicazioni di questo lievito probiotico nell’intestino umano.

Lo conclude lo studio di Genan Wang e colleghi della North Carolina State University (USA), pubblicato su BMC Genomics. 

Saccharomyces boulardii (Sb) è un lievito probiotico, noto per alleviare diarrea, colite ulcerosa e infezioni ricorrenti da Clostridioides difficile, essere stabile in diverse condizioni di pH e temperatura e resistere ai sali biliari e agli enzimi gastrointestinali. A differenza dei probiotici batterici, Sb è naturalmente resistente agli antibiotici, favorendo il ripristino del microbiota intestinale dopo il trattamento. Sebbene i benefici di Sb siano noti, le sue risposte fisiologiche nell’intestino richiedono ulteriori chiarimenti per migliorare la progettazione dei probiotici e la comprensione del suo comportamento intestinale. 

A tal proposito, i ricercatori hanno condotto analisi di trascrittomica di Sb dopo la colonizzazione intestinale in vitro e in modelli murini germ-free, investigando la sua risposta e meccanismi di adattamento. Per farlo, 29 campioni (13 in vitro, 16 in vivo) sono stati sequenziati e confrontati dimostrando come:

• i campioni in vivo provenienti da cieco, colon e fase stazionaria aerobica sono risultati strettamente correlati, mentre la maggior parte dei campioni in vitro ha formato un cluster separato.

• L’analisi dell’espressione genica ha identificato 92 geni sovraregolati e 93 sottoregolati in vivo, indicando una significativa variazione.

• I geni sovraregolati in vivo sono risultati collegati al catabolismo degli acidi carbossilici e degli acidi grassi, mentre i geni sottoregolati sono stati associati all’organizzazione della parete cellulare e alle funzioni di trasporto.

• Nei geni sovraregolati è stato osservato, rispetto alla fase stazionaria aerobica, il mantenimento della sintesi proteica nell’intestino nonostante la carenza di nutrienti.

• I geni la cui espressione è risultata ridotta in vivo erano principalmente correlati alle funzioni della parete cellulare e ai processi metabolici dei tioesteri, indicando una dipendenza dal metabolismo dell’ossigeno durante la crescita aerobica stazionaria.

Questi risultati sottolineano l’importanza di modellare accuratamente le condizioni intestinali in vitro per migliorare la ricerca sul microbioma.

L’attività metabolica di S. boulardii 

L’attenzione si è quindi focalizzata sul metabolismo degli acidi grassi dimostrando come la loro ossidazione sia significativamente sovraregolata in vivo. In particolare:

• otto geni coinvolti nell’ossidazione hanno mostrato una maggiore espressione in vivo, con la β-ossidazione come principale meccanismo di degradazione degli acidi grassi.

• Gli acidi grassi a catena lunga (LCFA) vengono convertiti nel citosol in acil-CoA a catena lunga prima di entrare nei perossisomi tramite trasportatori specifici, mentre gli acidi grassi a catena media (MCFA) possono entrare liberamente. Inoltre, il trasportatore specifico per gli LCFA (Fat1p) non risulta sovraregolato, suggerendo che gli MCFA siano fondamentali per la sopravvivenza di Sb nell’intestino crasso.

• L’ossidazione degli acidi grassi (FAO) è risultata vitale per la sopravvivenza del lievito in condizioni di stress come la deprivazione di glucosio, con MCFA e LCFA provenienti principalmente dalla dieta dell’ospite.

• I geni FAO sono risultati maggiormente espressi nel cieco rispetto al colon, indicando in tale zona una disponibilità più elevata di acidi grassi durante la colonizzazione intestinale.

• I geni per la sintesi degli acidi grassi sono stati repressi in vivo, segnalando una transizione dalla biosintesi degli acidi grassi al loro utilizzo come fonte di energia durante la colonizzazione intestinale.

I ricercatori hanno quindi analizzato la degradazione dell’etanolo e il metabolismo del glucosio riscontrando una significativa sovraregolazione dei geni associati a queste vie metaboliche (alcol-aldeide deidrogenasi, fosfoenolpiruvato carbossichinasi ecc.), soprattutto nel cieco e nel colon durante la colonizzazione intestinale. In particolare, l’attivazione della via di degradazione dell’etanolo è stata associata alla colonizzazione da parte di Sb nell’intestino crasso, anche se la fonte di etanolo rimane incerta.

Adattabilità di S. boulardii 

S. boulardii ha poi dimostrato di attivare molteplici vie di segnalazione per la conservazione dell’energia, adattandosi così agli ambienti intestinali con carenza di nutrienti.

• L’aumento dell’espressione genica in vivo ha indicato una colonizzazione dipendente dalle vie di segnalazione SNF1/AMPK per il metabolismo del glucosio in acidi grassi, dalla soppressione di TOR e dalla risposta allo stress mediata da MSN2/MSN4.

• La soppressione di TOR sembra contribuire alla resistenza allo stress e all’acquisizione di nutrienti, con un aumento dell’espressione di GAP1 e SPS100, suggerendo una risposta adattativa alla scarsità di nutrienti. Di contro, lieviti patogeni come Candida albicans, aumentano l’attività di TOR per l’adattamento all’ospite e la virulenza.

• La risposta allo stress mediata da MSN2/MSN4 aumenta la protezione contro lo stress ossidativo e osmotico.

• L’espressione di CTA1 evidenzia una risposta alle specie reattive dell’ossigeno e la necessità di un equilibrio redox.

• Otto geni correlati alle proteine della famiglia della seripauperina hanno mostrato di essere repressi, indicando adattamenti per il risparmio energetico durante la colonizzazione intestinale.

• L’analisi trascrittomica ha poi rivelato sei geni (Gap1p, Gdh3p, SNO1, etc.) sovraregolati soprattutto nel cieco e correlati all’acquisizione e al metabolismo dell’azoto in Sb. Questi geni sono prevalentemente coinvolti nel trasporto e nella degradazione degli amminoacidi, indicando che gli amminoacidi fungono da fonte di azoto nell’ambiente dell’ospite. 

Da ultimo, Sb ha mostrato caratteristiche promettenti come vettore terapeutico. Tuttavia, quanto osservato in vitro può essere diverso in vivo. I ricercatori hanno quindi confrontato l’attività di promotori nativi e sintetici in Sb per l’espressione di una proteina fluorescente. Nel complesso, i livelli di espressione di proteine ricombinanti da promotori clonati non correlano con i livelli di trascrizione guidati dal promotore nativo, probabilmente a causa di variazioni nelle condizioni sperimentali, nella forza del promotore e nella stabilità di RNA e proteine.

Conclusioni

Saccharomyces boulardii è un lievito probiotico sempre più riconosciuto per il suo potenziale come veicolo di rilascio di farmaci nell’intestino, esibendo effetti benefici come la riduzione dell’adesione dei patogeni e dell’infiammazione. Questo studio analizza il trascrittoma di S. boulardii in topi germ-free per studiare le sue risposte adattative in un ambiente privo di microbiota. I risultati indicano che S. boulardii utilizza principalmente l’ossidazione degli acidi grassi e degli amminoacidi come fonte di energia, regolata da diverse vie metaboliche, evidenziando percorsi genetici essenziali per la colonizzazione intestinale diS. boulardii. Ulteriori studi si concentreranno sullo studio di S. boulardii in contesti più complessi con microbi residenti e sull’utilizzo dei dati trascrittomici per progettare probiotici efficaci destinati ad applicazioni terapeutiche a livello intestinale.