Удивительная изобретательность бактерий в кишечнике человека

Новое исследование Чикагского университета показывает, что некоторые группы кишечных бактерий обладают обширным арсеналом генов, позволяющим им генерировать энергию и потенциально влиять на здоровье человека.

Статья, опубликованная 4 января 2024 года в Nature Microbiology, выявила 22 метаболита, которые три неродственных семейства кишечных бактерий используют в качестве альтернативы кислороду для дыхания в анаэробной среде кишечника.

Эти бактерии также имеют до сотен копий генов, производящих ферменты для обработки этих альтернативных метаболитов, — значительно больше, чем у бактерий, живущих вне кишечника. Результаты позволяют предположить, что анаэробные кишечные бактерии могут производить энергию из сотен других соединений.

Необычный метаболизм в кишечнике

"Это примеры некоторых из причудливых видов метаболизма, которые воздействуют на все эти различные метаболиты, производимые микробиомом кишечника", — сказал Сэм Лайт, старший автор исследования.

"Это интересно, потому что один из основных способов, которым микробиом влияет на наше здоровье, — это производство или модификация этих небольших молекул, которые затем могут попасть в наш кровоток и действовать как лекарства".

Дыхание без кислорода

На клеточном уровне дыхание — это биохимический процесс, генерирующий энергию. Большинство клеток используют кислород, но в анаэробных условиях, таких как кишечник, клетки эволюционировали, чтобы использовать другие молекулы.

Клетки обладают двумя основными типами метаболизма для производства энергии: ферментацией и дыханием. Дыхание включает донор и акцептор электронов. Классический пример — глюкоза как донор и кислород как акцептор.

Ресурсоемкие кишечные бактерии

Исследователи проанализировали базу данных из более чем 1500 геномов кишечных бактерий. Они обнаружили неожиданное распределение генов, производящих редуктазы — ферменты, использующие различные акцепторы электронов для дыхания. Хотя большинство геномов кодируют всего несколько редуктаз, небольшая их часть кодирует более 30 различных.

Эти бактерии не были близкородственными; они принадлежали к трем различным и эволюционно далеким семействам: Burkholderiaceae, Eggerthellaceae и Erysipelotrichaceae.

Связь с метаболитами и здоровьем

Эти кишечные бактерии, специализирующиеся на органических метаболитах, оказались более изобретательными, чем бактерии с дыхательным метаболизмом, живущие вне организма-хозяина, которые в основном используют неорганические соединения.

Некоторые из используемых ими метаболитов имеют значение для здоровья человека:

Перспективы для терапии

Лайт надеется, что подобные исследования помогут понять функцию различных микробов в кишечнике, что, в свою очередь, можно использовать для улучшения здоровья.

"Я надеюсь, что наше понимание этих различных видов метаболизма и того, как они работают, позволит нам разработать стратегии для вмешательства — либо через диету, либо фармакологически — чтобы модулировать поток метаболитов через эти различные пути", — сказал он. "Таким образом, в любом контексте, будь то диабет 2 типа или состояние после инфекции, мы могли бы контролировать, какие метаболиты производятся, для получения терапевтической пользы".