Влияние микробиоты на метаболизм сопоставимо с ролью печени в организме

Бактерии-комменсалы, в норме обитающие в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) человека, могут влиять на его физиологию, в том числе и на метаболизм и биодоступность аминокислот. Например, кишечные бактерии Paraprevotella умеют разлагать трипсин (пищеварительный фермент, расщепляющий белки); другие обитатели ЖКТ могут менять проницаемость стенок кишечника, влияя тем самым на транспорт и всасывание аминокислот, наконец, могут сами использовать или синтезировать аминокислоты и т.п.

Нарушения аминокислотного гомеостаза в кишечнике могут стать причиной ряда заболеваний и значимым фактором при выборе лекарственной терапии. Ученые из Корнеллского университета (США) оценили влияние кишечной микрофлоры на метаболизм аминокислот и определили соответствующие бактериальные гены.

Эксперименты проводились на мышах без микробиоты линии C57BL/6J возрастом 6–8 недель, а также на мышах без патогенов, но с микробиотой. Ученые разработали комбинированный метод метаболомного анализа, который выявляет, с какой эффективностью микроорганизмы кишечника потребляют аминокислоты (относительную скорость). Для исследования микрофлоры желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) человека изучались образцы донорских фекалий участников проекта JRI Live Cell Bank. Идентификация генов, отвечающих за участие бактерий в метаболизме аминокислот, проводилась путем анализа протяженных делеций генов и при помощи технологии CRISPR.

Концентрации аминокислот в просвете кишечника значительно отличались у мышей с микробиотой и без, особенно в нижних отделах. Аминокислот было меньше, поэтому авторы предположили, что микробиота в основном потребляет эти метаболиты. Геномный анализ выявил метаболические ферменты (аминотрансферазы, декарбоксилазы, рацемазы и аммиаклиазы), кодируемые кишечными бактериями. Микроорганизмы эффективно используют протеиногенные аминокислоты, являющиеся субстратами для этих ферментов.

Анализ жизнедеятельности 104 видов микроорганизмов, чаще всего встречающихся в ЖКТ здорового человека, хорошо изученных и относящихся к четырем основным доминирующим в микробиоте человека типам, выявил ряд закономерностей. Например, оказалось, что штаммы бактерий одного рода обычно метаболизируют аминокислоты схожим образом. Некоторые клостридии (Clostridium) являются быстрыми метаболизаторами широкого спектра аминокислот (аргинин, ароматические аминокислоты, аминокислоты с разветвленными боковыми цепями (BCAA), гистидин и др.); in silico было показано, что эти бактерии кодируют кандидатные гены, вовлеченные в окисление и восстановление аминокислот до малых органических кислот. Многие бактероиды (Bacteroides), предпочитающие полисахариды и гликаны, также используют некоторые аминокислоты, такие как аспарагин. При этом одни аминокислоты быстро утилизируются многими видами бактерий, а другие — только отдельными микроорганизмами и с меньшей эффективностью.

В образцах человека способность утилизировать аминокислоты сильно варьировала. Чем эффективнее проходил этот процесс, тем меньше аминокислот было в образце. То есть у человека микробиом также участвует в поддержании гомеостаза аминокислот, в том числе утилизируя их часть.

От кишечных бактерий, утилизирующих аминокислоты, зависит содержание последних не только в кишечнике, но и в сыворотке крови. А концентрация циркулирующих аминокислот определяет аминокислотный гомеостаз в других органах тела и тканях. Оказалось, что метаболизм кишечных аминокислот влияет на гомеостаз глюкозы в организме путем регуляции периферического синтеза нейромедиатора серотонина. Речь идет о BCAA и триптофане, от которых зависит синтез серотонина: прием BCAA приводил к снижению серотонина в сыворотке крови, а триптофана – к его увеличению и, как следствие, к экспрессии серотонин-ассоциированных генов.

Исследователи сравнивают деятельность кишечной микробиоты с работой печени, считая, что масштаб участия кишечных бактерий в метаболизме сопоставим с активностью данного органа. В настоящее время ученые заняты поиском способов управления кишечными бактериями и регуляцией вырабатываемых ими ферментов. Препараты, мишенью которых станут отдельные штаммы бактерий или конкретные бактериальные гены, потенциально могут использоваться как лекарство для целого ряда заболеваний ЖКТ и нарушений обмена веществ, в том числе диабета и воспалительных заболеваний кишечника.

Аллергические заболевания связаны с нарушением кишечной микробиоты в младенчестве