Il microbiota intestinale può influenzare la salute umana attraverso la produzione di piccole molecole chiamate metaboliti (o postbiotici), ma non è ancora chiaro quali microbi o enzimi siano coinvolti nella produzione di specifici metaboliti.
Un gruppo di ricercatori statunitensi ha di recente sviluppato un nuovo approccio per studiare il metabolismo microbico mediante la rilevazione dei metaboliti microbici in diversi campioni biologici e il loro grado di associazione ai profili metabolici dei batteri coltivati in laboratorio.
Mediatori tra batteri e organismo umano
L’approccio, descritto sulla rivista Nature, potrebbe aiutare a caratterizzare i microrganismi e le loro interazioni con il corpo umano. «La scoperta di metaboliti di derivazione microbica precedentemente non descritti, insieme a nuovi ceppi batterici isolati da diverse popolazioni umane, consentirà di individuare nuovi mediatori delle interazioni tra l’ospite e il microbiota, nonché bersagli molecolari per interventi terapeutici», affermano i ricercatori.
La misurazione dei livelli dei metaboliti può essere utile per studiare come i microbi intestinali influenzano la fisiologia umana. Tuttavia, le tecnologie in grado di rilevare i prodotti del metabolismo anaerobico nell’intestino sono ancora limitate.
I ricercatori, guidati da Dylan Dodd, Michael Fischbach e Justin Sonnenburg della Stanford University School of Medicine, hanno quindi deciso di sviluppare uno strumento per accelerare l’identificazione dei metaboliti microbici in diversi tipi di campioni.
Atlante metabolomico
In primo luogo, i ricercatori hanno utilizzato la spettrometria di massa, una tecnica che identifica le molecole in base alla loro massa e carica, per creare un database di riferimento di 833 postbiotici. Tutti questi metaboliti sono stati rilevati in campioni biologici come feci e sangue.
Successivamente, i ricercatori hanno sviluppato una pipeline per identificare i composti ed eseguire analisi statistiche. Il team ha utilizzato il database di riferimento per misurare i profili metabolici di 178 ceppi microbici cresciuti da diversi tessuti di topi il cui intestino è stato colonizzato da singoli ceppi o comunità di cinque o sei specie batteriche.
«Abbiamo costruito un atlante delle attività metaboliche del microbiota intestinale in vitro e in vivo che consente di eseguire studi funzionali delle comunità microbiche intestinali», affermano i ricercatori.
L’identikit dei metaboliti microbici
Utilizzando il loro atlante microbico, i ricercatori hanno identificato i batteri che producono specifici metaboliti.
Ad esempio, Enterococcus faecalis ed Enterococcus faecium sembrano produrre alti livelli di tiramina, una molecola nota per modulare le funzioni neurologiche dell’ospite, mentre Clostridium cadaveris utilizza alti livelli di vitamina B5, che è associata a malattie infiammatorie intestinali.
Successivamente, i ricercatori hanno abbinato le analisi metabolomiche ad analisi dei genomi batterici per identificare i geni responsabili di capacità metaboliche non ancora descritte.
Hanno così scoperto un meccanismo attraverso il quale i Bacteroides consumano gli aminoacidi glutammina e asparagina. Questi due aminoacidi possono essere utilizzati come uniche fonti di azoto dalla maggior parte dei Bacteroides.
«Gli studi che in passato avevano dimostrato che i batteri Bacteroides non potevano utilizzare gli aminoacidi liberi come unica fonte di azoto non avevano testato l’asparagina e la glutammina», spiegano gli autori dello studio.
Conclusioni
Il nuovo strumento, che include un ampio set di dati metabolomici ottenuti da migliaia di campioni, potrebbe essere utile alla comunità scientifica.
«I nostri dati sul profilo ceppo-specifico genoma-per-metabolico forniscono un’importante risorsa per la scoperta comparativa di geni e pathway che sono alla base della variazione fenotipica batterica», affermano i ricercatori.
Inoltre, una migliore comprensione del metabolismo microbico potrebbe aiutare a sviluppare nuovi farmaci che abbiano come target il microbiota intestinale.
