Nel microbiota intestinale dei neonati i bifidobatteri sono in grado di degradare i carboidrati non digeribili (Human Milk Oligosaccharides o HMO), ma non è ancora chiaro come si formano le diverse comunità batteriche e quale sia il ruolo di ciascuna specie in presenza di HMO differenti.
Athanasia Ioannou e colleghi della Wageningen University hanno creato BIG-Syc (Bacterial Infant Gut Synthetic Community), una comunità sintetica di 13 ceppi che replica le principali caratteristiche compositive, metaboliche e proteomiche del microbiota intestinale dei neonati.
In questa “comunità” è stata aggiunta una miscela di quattro (4 HMO) e cinque oligosaccaridi (5 HMO) del latte umano, la cui scissione in carboidrati semplici è avvenuta ad opera di diverse specie batteriche.
Batteri che “digeriscono” gli HMO
I ricercatori hanno selezionato 13 ceppi sulla base dei 20 taxa più diffusi nei neonati di 4 mesi con parto naturale e alimentati con latte materno:
- Bifidobacterium infantis ATCC15697/JCM 1222/DSM 20088,
- Bifidobacterium bifidum JCM1254/DSM 20082,
- Bifidobacterium breve ATCC15700/DSM20213/JCM 1192,
- Ruminococcus gnavus ATCC 29149,
- Bacteroides ovatus DSM1896/ATCC8483,
- Escherichia coli K-12 MG1655/DSM18039,
- Lactobacillus rhamnosus GG,
- Enterococcus faecalis ATCC19433/DSM20478,
- Streptococcus salivarius subsp. ceppo termofilo ATCC19258/DSM20617,
- Bacteroides vulgatus ATCC8482,
- Veillonella parvula ATCC10790/DSM2008,
- Bacteroides fragilis ATCC25285,
- Blautia producta JCM1471/DSM2950.
Il mix è stato poi sottoposto a fermentazione continua con 4 HMO o 5 HMO come unica fonte di carbonio.
Le analisi condotte sulla BIG-Syc hanno rivelato una diversa espressione proteica tra le due miscele, con una dominanza comune di molecole prodotte dai bifidobatteri e da B. fragilis.
In entrambe le condizioni la degradazione extracellulare degli HMO ha rilasciato soprattutto acetato e propionato, seguiti da quantità minori di etanolo, propanolo e 1,2-PDO (solo R. gnavus è stato in grado di trasformare quest’ultimo in 1-propanolo).
Lattato e succinato sono stati generati in diversi momenti della fermentazione, ma sono stati esauriti verso la fine.
Ruolo centrale dei bifidobatteri
I ricercatori hanno confermato la centralità dei bifidobatteri nella degradazione degli HMO attraverso un esperimento di delezione.
I Bifidobacterium sono stati aggiunti alla miscela di 5 HMO (con una comunità molto più diversificata) dopo tre giorni di fermentazione continua, in cui sono aumentati in modo simile rispetto al primo esperimento. Inoltre, hanno prevalso su altre specie – anche in modo negativo, come nel caso di E. faecalis ed E. coli – incrementato i livelli di etanolo e ridotto quelli di propionato, ma senza alcun impatto sulla quantità di acetato, propanolo e 1,2-PDO.
Un’altra differenza fondamentale è che nel 4 HMO, in cui non è presente il lacto-N-tetraosio (LNT), B. infantis (insieme a V. parvula, B. fragilis, E. coli, B. breve, B. producta, E. faecalis, B. ovatus e L. rhamnosus) dominava rispetto a B. bifidum, probabilmente in virtù dell’uso del 6’-SL che ne inibisce la crescita.
Viceversa, nel 5 HMO, B. bifidum prevaleva (insieme a B. fragilis, B. producta e R. gnavus) a discapito di B. infantis. Ciò potrebbe essere spiegato alla luce del maggior rilascio dell’LNT che contiene un enzima – l’N-acetilglucosamminidasi – in grado di controllare l’espressione di NagR, un regolatore di molteplici geni e operoni nei bifidobatteri. In questa condizione NagR renderebbe B. bifidum più competitivo rispetto a B. infantis.
Le due comunità condividevano alcuni taxa, come Bifidobacterium spp., Veillonella spp., Escherichia-Shigella spp., Bacteroides spp. ed Enterococcus spp., nei quali producevano acetato, propionato, succinato e lattato. Ruminococcus spp. e Blautia spp., invece, dominavano solo nella BIG-Syn, così come Lacticaseibacillus spp., Streptococcus spp. ed Enterobacteriaceae spp. prevalevano solo nei campioni fecali.
Conclusioni
Numerose specie batteriche sono implicate, a livelli diversi, nella degradazione degli HMO. Tuttavia, lo studio presenta alcuni limiti legati all’uso di una quantità ristretta di ceppi e di miscele di HMO predefinite.
Saranno necessarie ulteriori ricerche per approfondire la composizione delle comunità batteriche dei neonati e scoprire quali specie e in che modo agiscono per degradare HMO differenti.
