Anche seguire una dieta a restrizione calorica modifica il microbiota intestinale. Ma come?

Riducendo il rapporto Firmicutes:Bacteroidetes, promuovendo gli enzimi coinvolti nella sintesi di acido propionico e contenendo quelli per acido butirrico e acetico. È quanto dimostra lo studio tutto italiano coordinato da Alessandro Tanca, del Parco scientifico e tecnologico della Sardegna, e pubblicato su Scientific Reports.

Una diversa qualità e quantità di nutrienti ingeriti modifica il microbiota intestinale in termini sia di composizione sia di funzionalità metabolica. La maggior parte degli studi condotti finora si è concentrata sul confronto tra dieta a basso e alto contenuto energetico o sugli effetti del cambiamento dei macronutrienti. Quelli sul regime a restrizione calorica, basato cioè sull’introito degli stessi nutrienti di una dieta normale, ma in minore quantità, sono invece più scarsi, nonostante gli stessi ricercatori abbiano in precedenza dimostrato come questo regime sia causa di rapide modifiche nella composizione batterica e della riduzione a lungo termine dei livelli di trigliceridi e colesterolo.

In linea con i dati ottenuti, lo scopo di questa ricerca è stato quello di esaminare gli effetti della restrizione calorica per 8 settimane (RC) sulle funzionalità del microbiota intestinale di ratti, confrontandola con un regime alimentare ad libitum (AL), cioè a sazietà, per un pari periodo. Nel dettaglio i punti considerati sono stati:  

• le funzionalità differentemente espresse nel microbiota intestinale dei due gruppi, RC vs AL
• i cambiamenti tassonomici e funzionali indotti da RC a lungo termine (un anno e mezzo) attraverso sequenziamento 16S rRNA e metaproteomica
• gli effetti di un breve passaggio a una dieta AL, dopo una dieta RC seguita per un lungo termine
• le funzioni tasso-specifiche e metaboliche attive nei due gruppi
• l’abbondanza relativa delle proteine nei campioni fecali dei due gruppi

Di seguito i principali risultati.

Restrizione calorica e cambiamenti nel proteoma batterico fecale

Basandosi sui dati precedenti, i ricercatori hanno inizialmente verificato se i cambiamenti strutturali osservati nel microbiota intestinale con RC siano correlabili ad altrettante modifiche funzionali e metaboliche. Sono stati dunque collezionati campioni fecali a 3, 5 e 8 settimane da entrambi i gruppi. Attraverso analisi di metaproteomica e PCA (principal component analysis) si sono ottenuti i seguenti risultati:

• 142.942 spettri di massa sono collegati a 878 differenti funzionalità proteiche appartenenti a loro volta a più di 250 generi batterici
• c’è una chiara separazione tra i due gruppi a livello di genere a partire già dalla terza settimana di studio, che diventa ancora più evidente all’ottava settimana
• dei 24 generi differentemente espressi tra i due gruppi, 8 appartenenti a Bacteroidetes (Prevotella e Bacteroides) sono risultati più rappresentati nel gruppo in RC, mentre 11 del genere Firmicutes (Clostridium, Eubacterium e Oscillibacter per esempio) nell’altro gruppo. L’unico genere Firmicutes arricchito dalla RC è Lactobacillus
• 167 sono le funzionalità metaboliche alterate tra i due gruppi
• RC ha mostrato di ridurre l’attività di enzimi legati alla degradazione di carboidrati e alla biosintesi di acetato e/o butirrato. Di contro, l’espressione di vari ribosomi, proteine di legame per DNA e stress-correlate, sembra essere incrementata

Caratteristiche dei cambiamenti proteomici indotti

È stato dimostrato in letteratura come i cambiamenti di composizione indotti da RC, e che coinvolgono Lactobacillus spp., si mantengano fino a 9 mesi dall’intervento. Si è quindi voluto approfondire se tali modifiche siano presenti anche in ratti adulti e se un ritorno a una dieta ad libitum anche per un breve periodo possa influire sul microbiota.

Per fare ciò sono stati esaminati campioni fecali di ratti trattati con RC per un anno e mezzo e sono stati confrontati con quelli del gruppo AL. A una parte di esemplari del primo gruppo è stata dunque riproposta una dieta AL e a una settimana dal cambio sono stati raccolti i campioni, con le seguenti osservazioni:

• il sequenziamento del gene 16S rRNA ha permesso di identificare 217 generi batterici. Considerando l’analisi metaproteomica, 126.913 spettri di massa sono stati correlati con 1.000 differenti funzioni proteiche associate a 241 generi batterici
• confrontando i tre gruppi (AL, RC e RC>AL), sono emerse abbondanze differenti in relazione a diversi generi batterici tra i quali Sphingobaterium, Bacillus, Clostridium o Rominoccus
• sequenziamento genico e metaproteomica hanno dato risultati sovrapponibili soprattutto in relazione all’espressione di Lactobacillus e Ruminococcus spp., maggiore nel gruppo in restrizione calorica
• le funzioni batteriche alterate tra i gruppi sono risultate essere 113
• gli enzimi responsabili della biosintesi di acetato e butirrato sono risultati poco attivi nel gruppo in RC al contrario di quelli coinvolti nella propionogenesi e nel metabolismo dei composti pentosi
• quasi tutte le proteine espresse in modo diverso nei gruppi RC e AL hanno presentato valori intermedi nel gruppo RC>AL, dimostrando come anche una sola settimana di ritorno a un regime alimentare “normale” sia sufficiente nel modificare il profilo funzionale del microbiota

Cambiamenti genere-specifici

È stato quindi analizzato il contributo dei generi batterici più rappresentati (Lactobacillus, Clostridium, Bacteroides, Prevotella, Oscillibacter, Ruminococcus) nell’attività funzionale complessiva del microbiota intestinale dei due gruppi:

• Lactobacillus ha mostrato un arricchimento significativo e costante nei campioni del gruppo in restrizione calorica. Tra le proteine specifiche per Lactobacillus è stata registrata una particolare espressione degli enzimi coinvolti nel metabolismo di composti esosi e pentosi e nella degradazione di ossalati e urea. Buona la presenza anche di proteine per il trasporto e la fosforilazione di carboidrati
• Clostridium si è dimostrato ridotto in seguito a restrizione calorica con conseguente diminuzione delle funzionalità a esso correlate come numerosi enzimi coinvolti nella glicolisi o nel metabolismo di piruvato e butirrato
• le proteine riconducibili sia a Bacteroides sia a Prevotella hanno presentato buona espressione nel gruppo RC
• le proteine di Oscillibacter sono risultate assenti nel proteoma del gruppo in RC, inclusi numerosi enzimi coinvolti nel metabolismo degli acidi grassi a catena corta
• di contro, Ruminococcus ha presentato un notevole incremento dopo RC a lungo termine, espresso in particolare dalla famiglia 9 delle glicosidi idrolasi

Restrizione calorica e acidi grassi a corta catena

Analizzando i dati ottenuti, i ricercatori hanno osservato come molti degli enzimi implicati nel metabolismo degli acidi grassi a catena corta (SCFAs) siano alterati nei due gruppi. Si è dunque approfondito questo aspetto.

• le funzionalità propiogeniche hanno presentato un incremento nel gruppo in RC. Le proteine coinvolte nella biosintesi di butirrato e acetato hanno invece mostrato ridotti livelli di espressione
• nei ratti adulti alimentati con regime AL per una settimana dopo un anno e mezzo di RC si è registrata una rapida ricrescita dei livelli di enzimi per la biosintesi di acido acetico tipici del regime AL. Più lenti invece i cambiamenti di enzimi per acido propionico e butirrico
• i processi di butirrogenesi sono risultati principalmente correlati a Clostridia, quelli per il propionato invece a Bacteroidetes e Prevotella spp.

Restrizione calorica e proteine fecali

Da ultimo, è stato confrontato il profilo di abbondanza proteica fecale tra i due gruppi.

• gli enzimi di degradazione lipidica e le cheratine sono risultati più abbondanti nel gruppo in RC
• il gruppo in dieta AL ha presentato maggiori livelli fecali di proteine coinvolte nella produzione di muco e nella risposta anti-infiammatoria mucosale

In conclusione possiamo dunque affermare che la restrizione calorica:

• induce rapidi e profondi cambiamenti tassonomici e funzionali nel microbiota intestinale di ratto e questi cambiamenti si mantengono fino all’età adulta
• in termini di composizione, riduce il rapporto F:B
• in termini funzionali, promuove l’espressione di enzimi per la biosintesi di propionato, mentre riduce quelli per il butirrato e l’acetato
• risente anche di brevi periodi di dieta ad libitum
• influenza il profilo proteico a livello fecale