Кишечная микробиота пчел питается их метаболитами

Взаимодействие кишечной микробиоты и организма хозяина важно для обеих сторон, но влияние метаболитов, образующихся в организме хозяина, на состояние кишечных бактерий остается малоизученным. Эти исследования ограничены тем, что диета и продукты обмена, выделяемые бактериями, в значительной степени влияют на метаболиты хозяина. Ученые из Швейцарии предложили простую систему, в которой легко контролировать диету модельного организма и микробиом его кишечника. Они использовали медоносных пчел, которых кормили водой с сахаром, а затем оценивали микробиом кишечника и метаболиты. С помощью такого подхода исследователи выяснили, что бактерии Snodgrassella alvi использовали в качестве источника пищи органические кислоты, образующиеся в организме хозяина. Результаты работы опубликованы в Nature Microbiology.

Авторы исследования использовали медоносных пчел Apis mellifera без микробиоты и колонизировали их кишечник бактериями S. alvi (штамм wkB2), смесью штаммов Gilliamella (штаммы wkB1, ESL0169, ESL0182, ESL0297) или обоими филотипами. В течение пяти дней часть пчел питалась исключительно стерильной водой с сахаром, а другая часть, помимо этого, получала стерильную пыльцу.

Уровни колонизации кишечника бактериями ученые оценивали с помощью количественной ПЦР и посева колониеобразующих единиц (КОЕ). Анализ показал, что S. alvi одинаково колонизировали кишечник во всех случаях, независимо от диеты или совместной колонизации с бактериями Gilliamella. Таким образом, питания одним сахаром было достаточно для колонизации кишечника бактериями S. alvi, несмотря на их неспособность метаболизировать сахара.

Для поиска предполагаемых субстратов, используемых S. alvi, авторы извлекли метаболиты из средней и задней кишки пчел и проанализировали их методом газовой хроматографии/масс-спектрометрии (ГХ-МС). У пчел, чей кишечник был моноколонизирован S. alvi и которые питались сахарной водой, анализ выявил множество карбоновых кислот, включая цитрат, 3-гидрокси-3-метилглутарат (3Hmg) и глицерат. Эти карбоновые кислоты детектировались в значительно меньших количествах, чем в контрольной группе пчел без микробиоты. Содержание этих же и других карбоновых кислот было снижено и в группе пчел, моноколонизированных S. alvi и питавшихся сахарной водой и пыльцой. Также было замечено, что у пчел, колонизированных S. alvi, накапливался антранилат, продукт метаболизма триптофана, независимо от диеты.

Далее ученые оценили, какой из факторов оказывал наибольшее влияние на профиль метаболитов: микробиота кишечника или диета. Выяснилось, что колонизация кишечника S. alvi приводила к значительному снижению содержания карбоновых кислот, особенно 3Hmg, цитрата, малата, фумарата и глицерата. Также авторы обнаружили, что лактат, пируват и некоторые другие неизвестные соединения, продуцируемые Gilliamella, при совместной колонизации становятся питательным субстратом для S. alvi. Эти виды бактерий конкурировали за потребление цитрата и сукцината (в меньшей степени — фумарата и малата), и действовали синергически, синтезируя ацетат, сукцинат, бензоат и одно неустановленное соединение.

Чтобы отследить путь питательных веществ и метаболитов в кишечнике пчел, в их рацион добавляли глюкозу, содержащую изотопы углерода ¹³С. Опираясь на полученные данные, авторы пришли к выводу, что карбоновые кислоты, используемые S. alvi , в основном синтезируются de novo в результате метаболизма сахара из организма хозяина.

Этот вывод был подкреплен еще одним экспериментом, в ходе которого пчел без микробиоты кормили глюкозой с ¹³С, а затем переводили их на питание глюкозой, содержащей ¹²С, и колонизировали их кишечник S. alvi. Используя метод наномасштабной масс-спектрометрии вторичных ионов (NanoSIMS), ученые проанализировали метаболиты и пришли к выводу, что продукты метаболизма хозяина активно использовались S. alvi для наращивания биомассы во время ранней колонизации, поскольку в клетках бактерий обнаруживали ¹³С, не поступавший в организм пчел с пищей после колонизации бактериями.

Также исследователи провели колонизацию кишечника пчел различными штаммами S. alvi, чтобы проверить, уникальны ли полученные результаты для исследованного штамма wkB2. В этом эксперименте колонизацию проводили тремя штаммами Snodgrassella, характерными для медоносных пчел, и двумя штаммами, населяющими кишечник шмелей. Все пять штаммов бактерий успешно колонизировали кишечник пчел при питании сахарной водой, что говорит о консервативности механизма использования карбоновых кислот хозяина для наращивания биомассы для рода Snodgrassella.

Таким образом, исследование, проведенное на медоносных пчелах, позволило раскрыть механизм использования метаболитов организма-хозяина кишечными бактериями рода Snodgrassella для собственного метаболизма. Также его авторы показали, что при совместной колонизации с бактериями Gilliamella, S. alvi могут использовать их метаболиты в качестве питательного субстрата. Эта работа раскрывает еще одну грань взаимодействия кишечной микробиоты и организма хозяина.

Кишечная микробиота помогает большим пандам накапливать жир на бамбуковой диете