Люди выбирают еду, основываясь на ее внешнем виде, запахе и вкусе. Но микробы в нашем кишечнике используют другую систему классификации, основанную на молекулярных компонентах, из которых состоят различные волокна. В исследовании, опубликованном 19 сентября в журнале Cell, исследователи обнаружили определенные компоненты пищевых волокон, которые способствуют росту и метаболическому действию полезных микробов в кишечнике мыши.
Исследование направлено на разработку способов выявления соединений, которые могут улучшить представление о полезных для здоровья членах кишечного микробного сообщества. Цель состоит в том, чтобы определить устойчивые и доступные источники пищевых волокон для включения в более питательные продукты питания нового поколения.
«Клетчатка считается полезной. Но клетчатка на самом деле представляет собой очень сложную смесь многих различных компонентов», - говорит старший автор Джеффри Гордон, микробиолог из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе. «Более того, волокна из разных растительных источников, которые по-разному обрабатываются при производстве продуктов питания, имеют разные компоненты. К сожалению, нам не хватает детальных знаний об этих различиях и их биологическом значении. Мы знаем, что современные западные диеты содержат мало клетчатки; этот недостаток клетчатки было связано с потерей важных членов кишечного сообщества и пагубными последствиями для здоровья».
Исследователи начали с тестирования 34 препаратов пищевой клетчатки, многие из которых были очищены от побочных продуктов производства продуктов питания, таких как кожура фруктов и овощей, которые выбрасываются при производстве обработанных пищевых продуктов и напитков. Они использовали мышей, первоначально выращенных в стерильных условиях, а затем колонизированных кишечными микробами человека. Животных кормили рационом с высоким содержанием жиров и низким содержанием клетчатки, характерным для рационов, обычно употребляемых в Соединенных Штатах, с добавлением различных типов пищевых волокон или без них. Цель состояла в том, чтобы определить те волокна, которые лучше всего повышали уровень ключевых видов бактерий, разрушающих волокна, и стимулировали экспрессию полезных метаболических ферментов в микробиоме.
Поскольку мыши были колонизированы определенной коллекцией кишечных бактерий человека с секвенированными геномами, исследователи знали все гены, которые присутствовали в их модельном микробном сообществе кишечника человека. Это позволило им провести всестороннее протеомное исследование с высоким разрешением всех бактериальных белков, экспрессия которых менялась в ответ на различные тестируемые типы волокон. Объединив эти результаты с генетическим скринингом, они смогли идентифицировать конкретные источники волокон, их биологически активные молекулярные компоненты и бактериальные гены, количество которых увеличилось для разных видов Bacteroides, когда они столкнулись с разными волокнами. Они сосредоточились на Bacteroides, потому что представители этой группы видов бактерий содержат гены, ответственные за метаболизм пищевых волокон, которых нет в геноме человека.
На втором этапе исследования исследователи хотели определить, как различные члены микробного сообщества взаимодействуют друг с другом, когда они едят пищевые волокна. Первый автор Майкл Патноуд, научный сотрудник лаборатории Гордона, разработал флуоресцентно помеченные искусственные пищевые частицы с различными типами связанных углеводов из разных волокон. Коллекции этих частиц, содержащих питательные вещества, скармливали мышам, колонизированным определенными микробными сообществами, содержащими различные комбинации видов Bacteroides.
«Мы были взволнованы, увидев, как эти «биосенсоры» можно использовать для оценки обработки определенных компонентов волокна определенными видами бактерий», - говорит Патноуд. Скармливая эти частицы мышам, которые либо несли, либо не несли доминирующий вид, потребляющий клетчатку, авторы обнаружили, что подчиненные виды выжидали в очереди, чтобы подойти и потреблять волокно.
«Мы подозревали, что между различными штаммами может происходить конкуренция, и что некоторые из них будут более сильными конкурентами, чем другие», - говорит Патноуд. Протеомный анализ и генетический скрининг подтвердили наличие иерархии потребления клетчатки среди видов, присутствующих в этом модельном бактериальном сообществе.
Гордон объясняет, что «важно понимать, как присутствие определенного организма влияет на поведение других организмов при приеме пищи - в данном случае в отношении различных волокон. Если мы собираемся разрабатывать продукты, ориентированные на микробиоту, направленные на обеспечивая пользу для здоровья человека, важно найти способы определить, какие основные продукты питания будут лучшим источником питательных веществ и как на это отреагирует микробиота».