Diversi studi su modelli murini hanno messo in evidenza che l’alimentazione con restrizione temporale (TRF, time-restricted feeding), una forma di digiuno intermittente che limita l’accesso al cibo a periodi specifici in linea con il ciclo circadiano, mitiga l’insulino-resistenza indotta da una dieta ricca di grassi (HFD, high-fat diet), l’adiposità e l’infiammazione. Tuttavia, la sola valutazione dei dati composizionali presi singolarmente mediante RNA 16S o sequenziamento metagenomico rileva cambiamenti microbici solo in minima parte.
La metatrascrittomica – lo studio del profilo trascrizionale di una comunità batterica – riflette invece gli stati funzionali in tempo reale e i cambiamenti rapidi nel microbiota legati alla dieta, ma anche all’insorgenza di condizioni cliniche come la malattia infiammatoria intestinale (IBD), l’obesità, il cancro e il diabete. Stephany Flores Ramos e colleghi, dell’Università di San Diego (California, USA) hanno utilizzato tale metodica, insieme ai metodi omici standard, per identificare le funzioni microbiche sensibili alla TRF e valutarne la rilevanza terapeutica in topi maschi C57BL/6 wild-type suddivisi in tre gruppi in base al regime alimentare seguito: alimentazione normale (NCD, normal chow diet), dieta ad alto contenuto di grassi (HFD, high-fat diet) e alimentazione cn restrizione temporale (TRF). Lo studio, uscito su Cell & Host Microbiome, ha individuato importanti differenze microbiche e metaboliche in relazione alla dieta.
Metatrascrittomica come metodo accurato nella rilevazione della diversità alfa
I ricercatori hanno selezionato un gruppo di topi maschi C57BL/6 wild-type alimentati ad libitum in un ciclo di 24 ore per 8 settimane, e li hanno suddivisi in tre gruppi: NCD, HFD e HFD con TRF di 8 ore dall’inizio del buio – la fase attiva dei topi. I campioni fecali sono stati raccolti ogni 4 ore per un periodo di 24 ore per caratterizzare l’attività microbica diurna, analizzando la diversità alfa prima con l’RNA 16S o il sequenziamento metagenomico, poi con la metatrascrittomica. Nel primo caso non sono state osservate differenze significative nella composizione microbica né a livello funzionale né tra le diete. Nel secondo caso, invece, la diversità alfa differiva tra il primo gruppo ed entrambi i gruppi alimentati con HFD. Tutti i metodi – e anche l’analisi della diversità beta – hanno rilevato differenze significative nei topi alimentati con NCD da un momento all’altro, con una variazione diurna (fase inattiva) nella composizione e nel potenziale funzionale.
Il digiuno intermittente ripristina il ciclo metabolico del glucosio e dei lipidi
La metatrascrittomica ha rilevato una percentuale giornaliera di trascritti, maggiore rispetto ai geni, correlati alla traduzione, alla proteolisi e al metabolismo dei carboidrati nel primo e nel terzo gruppo. Molti di questi trascritti, che hanno raggiunto un picco secondario nella fase di buio, erano correlati anche al metabolismo dei lipidi e del glucosio. Ad esempio, il primo gruppo esprimeva i trascritti per due enzimi, l’acil-coenzima A deidrogenasi e la glicerolo-3-fosfato aciltransferasi che promuovono la degradazione degli acidi grassi e limitano la sintesi di lipidi. Nel terzo, invece, durante la fase di buio è calata l’attività di acilglicerolo chinasi ed enoil-ACP (proteina trasportante acili) reduttasi, enzimi implicati nella sintesi di acidi grassi nel lume intestinale.
I ricercatori hanno analizzato l’espressione della idrolasi dei sali biliari (BSH, bile-salt hydrolase) – un enzima che deconiuga gli acidi biliari, riducendone il riassorbimento – dotata di forte diversità funzionale ed espressa da vari taxa. Alcuni di questi, tra cui Lachnospiraceae CAG-95, Eubacterium_J plexicaudatum e Lachnospiraceae, erano fortemente espressi nel primo gruppo (in entrambe le fasi). Il confronto tra i due gruppi alimentati con HFD ha riportato grande variabilità, con Lachnospiraceae (fase buio) e Dubosiella newyorkensis (fase luminosa) che proliferavano in condizioni di TRF, al contrario di Lachnospiraceae CAG- 317 (in entrambe le fasi) e Lactobacillus gasseri (fase buio). Due trascritti di D. newyorkensis (A0A1U7NP31 e A0A1U7NKD7) proliferavano nei topi alimentati con HFD sia senza (fase buio) sia con restrizioni (fase luminosa).
Batteri implicati nell’attività di deconiugazione degli acidi biliari
Per analizzare l’attività di deconiugazione, i ricercatori hanno ingegnerizzato cinque ceppi esprimenti BSH (ENB, BSH-expressing engineered native bacteria) in una coltura di E. coli nativo, EcAZ, in grado di colonizzare stabilmente l’intestino dopo una singola somministrazione gastrica senza pretrattamento antibiotico e senza alterare il microbiota. I ceppi sono stati coltivati con successo in terreni ricchi integrati con uno dei dieci acidi biliari coniugati con glicina o taurina e selezionati sulla base dell’attività diurna guidata dalla TRF (D. newyorkensis A0A1U7NKD7 o DnBSH1 e Bacteroides uniformis A0A3E5F5J9), dell’arricchimento in condizioni di HFD (Lactobacillus gasseri) e dell’espressione costante in condizioni di dieta normale (Eubacterium plexicaudatum e Lachnospiraceae CAG-95). EcAZ-1 DnBSH1 ha ridotto gli acidi biliari coniugati sia con glicina sia con taurina, mentre EcAZ-2 BSH⁺ (che esprime anche Lactobacillus salivarius) ha ridotto solo gli acidi biliari coniugati con la taurina.
Un ceppo di D. newyorkensis regola il metabolismo del glucosio e la sensibilità insulinica
I ricercatori hanno quantificato l’aumento di acidi biliari correlati alle reazioni di ammidazione nelle colture ENB, rilevando stati funzionali simili in EcAZ-2 BSH⁺ e EcAZ-1 DnBSH1, ma con alcune differenze. Ad esempio, in presenza di acido tauroursodesossicolico o acido glicoursodesossicolico, l’ursodesossicolico coniugato con isoleucina/leucina (Ile/Leu- UDCA) è aumentato in entrambe le colture, quello coniugato con alanina (Ala-UDCA) e l’acido chenodesossicolico coniugato con lisina (Lys-CDCA) sono aumentati, invece, solo in EcAZ-2 BSH⁺, probabilmente a causa dei livelli elevati al basale (a t = 0). . Entrambe le colture hanno prodotto acido colico coniugato con lisina (Lys-CA), in presenza di acido taurocolico (TCA), e ridotto i livelli di insulina dopo sei settimane. Tuttavia, il glucosio a digiuno è diminuito, insieme alla massa grassa – contestualmente all’aumento di quella magra – soprattutto nei topi trapiantati con EcAZ-1 DnBSH1.
Conclusioni
I risultati della ricerca evidenziano il ruolo primario della dieta nel dismetabolismo e la necessità di nuovi studi che utilizzo tecniche e strumenti innovativi per sondarne l’impatto sul microbiota. La metatrascrittomica, ad esempio, coglie l’espressione di acidi biliari specifici e cambiamenti microbici guidati dalla TRF nella β-diversità, nel ripristino del ciclo diurno e nell’espressione differenziale di enzimi associati al metabolismo. In futuro, strategie come la TRF, combinate con batteri ingegnerizzati, potrebbero aprire nuove strade nella gestione dell’obesità e delle malattie metaboliche.
