Sinergia e adattamento dell'ossigeno per lo sviluppo del prossimo

Natura (2023) Cita questo articolo

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Il microbiota intestinale umano ha guadagnato interesse come fattore ambientale che può contribuire alla salute o alla malattia1. Lo sviluppo di probiotici di prossima generazione è una strategia promettente per modulare il microbiota intestinale e migliorare la salute umana; tuttavia, diversi candidati chiave probiotici di prossima generazione sono strettamente anaerobici2 e potrebbero richiedere una sinergia con altri batteri per una crescita ottimale. Faecalibacterium prausnitzii è un batterio intestinale umano altamente diffuso e abbondante associato alla salute umana, ma non è stato ancora sviluppato in formulazioni probiotiche2. Qui descriviamo il co-isolamento di F. prausnitzii e Desulfovibrio piger, un batterio solfato-riduttore, e il loro incrocio per la crescita e la produzione di butirrato. Per produrre una formulazione probiotica di prossima generazione, abbiamo adattato F. prausnitzii per tollerare l'esposizione all'ossigeno e, in studi di prova di concetto, dimostriamo che il prodotto simbiotico è tollerato da topi e esseri umani (identificatore ClinicalTrials.gov: NCT03728868) e viene rilevato nell'intestino umano in un sottogruppo di partecipanti allo studio. Il nostro studio descrive una tecnologia per la produzione di probiotici di prossima generazione basata sull’adattamento di batteri strettamente anaerobici per tollerare l’esposizione all’ossigeno senza riduzione delle potenziali proprietà benefiche. La nostra tecnologia può essere utilizzata per lo sviluppo di altri ceppi strettamente anaerobici come probiotici di prossima generazione.

Il microbiota intestinale umano adulto è costituito da un numero di cellule batteriche pari almeno al numero totale di cellule somatiche e germinali3 e i loro genomi collettivi (microbioma) contengono più di 500 volte più geni del nostro genoma umano4. La metagenomica comparativa ha rivelato che, rispetto al microbioma dei pazienti con diabete di tipo 25,6,7, iperlipidemia8 e malattia infiammatoria intestinale9,10, un microbioma sano è spesso associato a una maggiore diversità microbica e a una maggiore abbondanza di batteri produttori di butirrato, come Faecalibacterium prausnitzii. In particolare, F. prausnitzii è una specie chiave la cui abbondanza varia con l’età e lo stile di vita, ed è relativamente impoverita nel microbiota intestinale delle persone che vivono nel mondo occidentale11.

I microrganismi intestinali umani non agiscono in modo isolato ma formano complesse interazioni ecologiche importanti per l’omeostasi intestinale. Un attributo chiave del microbiota intestinale è la fermentazione dei carboidrati in acidi grassi a catena corta (SCFA), compreso il butirrato, che è associato a numerosi benefici per l’ospite12. La fermentazione è il principale processo di generazione di energia utilizzato dai microrganismi intestinali e la rimozione dei sottoprodotti della fermentazione che dissipano gli elettroni come il lattato e l'idrogeno è essenziale per mantenere i processi fermentativi13. Di conseguenza, gli spazzini di idrogeno come i metanogeni e i batteri solfato-riduttori sono importanti per stabilire reti metaboliche intestinali14.

Qui riportiamo l'isolamento di un nuovo ceppo di F. prausnitzii in co-coltura con un nuovo ceppo del riduttore di solfato Desulfovibrio piger. Descriviamo lo sviluppo di una tecnologia per la produzione di F. prausnitzii come probiotico di prossima generazione e ne valutiamo la sicurezza per il consumo umano.

Per preservare le interazioni microrganismo-microrganismo e isolare i batteri che sono in grado di fungere da dissipatore di elettroni e rimuovere il lattato, abbiamo piastrato materiale fecale di un individuo sano direttamente su piastre di agar di terreno Postgate (PGM) in condizioni anaerobiche (metodi). In queste condizioni, abbiamo isolato un ceppo di F. prausnitzii (DSM32186) che è cresciuto in PGM come co-coltura con un ceppo di D. piger (DSM 32187) (Fig. 1a,b). D. piger sono bacilli Gram-negativi anaerobici obbligati, non fermentanti15 e riduttori di solfato prevalenti nell'intestino umano16, non si trovano isolati al di fuori dell'intestino e sono quindi considerati commensali specifici dell'intestino17.

a, Co-coltura di F. prausnitzii DSM 32186 e D. piger DSM 32187 su piastre PGM senza integrazione di glucosio o acetato. b, Colorazione Gram delle colonie ottenute dall'isolamento di F. prausnitzii DSM 32186 e D. piger DSM 32187. Le frecce indicano F. prausnitzii (bastoncini fusiformi lunghi) (1) e D. piger (bastoncini corti) (2). Barra della scala, 10 μm. c, Dendrogramma che illustra la relazione tra D. piger DSM 32187 e genomi correlati. d, Dendrogramma che illustra la relazione tra F. prausnitzii DSM 32186 e genomi correlati. e, Il numero di unità formanti colonie di F. prausnitzii DSM 32186 in monocoltura e in co-coltura con D. piger DSM 32187 in condizioni anaerobiche in mPGM (PGM contenente 25 mM di glucosio) per 24 ore. P = 0,0003. f, Profili metabolitici di F. prausnitzii DSM 32186 e D. piger DSM 32187 coltivati ​​come monocolture o co-colture in condizioni anaerobiche in terreno mPGM per 24 ore. Glucosio: P = 0,0000031 (F. prausnitzii + D. piger contro D. piger), P = 0,0000038 (F. prausnitzii + D. piger contro F. prausnitzii); lattato: P = 0,0000001 (F. prausnitzii + D. piger contro D. piger), P = 0,0000005 (F. prausnitzii contro D. piger), P = 0,00014 (F. prausnitzii + D. piger contro F. prausnitzii); acetato: P = 0,0000004 (F. prausnitzii + D. piger contro D. piger), P = 0,0000003 (F. prausnitzii contro D. piger); butirrato: P = 0,000001 (F. prausnitzii + D. piger contro D. piger), P = 0,0000031 (F. prausnitzii + D. piger contro F. prausnitzii). La "variazione mM" sull'asse y indica la differenza di concentrazione rispetto al mezzo inoculato al basale. g, Schema dell'alimentazione incrociata suggerita tra F. prausnitzii e D. piger come co-coltura in mPGM. n = 3 esperimenti indipendenti, *** P <0,001 determinato mediante t-test a due code (e) o ANOVA unidirezionale (f). I dati sono media ± sem