Naukowcy dowiedli, iż rytmy mikrobiologiczne w jelitach są dostosowane do pory jedzenia i do czasu, w którym drobnoustroje jelitowe są najbardziej aktywne. Zbadali także rolę zmodyfikowanych bakterii wprowadzanych do mikrobiomu gospodarza na jego zdrowie metaboliczne.
Podobnie jak rytmy okołodobowe regulujące godziny, kiedy zasypiamy i budzimy się, rytmy mikrobiologiczne w naszych jelitach są naturalnie aktywne w określonych porach dnia, aby pomóc regulować nasze trawienie.
Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego prześledzili je, próbując ustalić, czy dostosowanie pory jedzenia do czasu, w którym nasze drobnoustroje jelitowe są najbardziej aktywne, może wzmocnić nasze zdrowie metaboliczne. To wyrównanie jest znane jako jedzenie ograniczone czasowo (TRF – time restricted feeding), czyli odmianę postu przerywanego (IF – intermittent fasting).
– Rytmy mikrobiologiczne to codzienne wahania składu i funkcji drobnoustrojów żyjących w naszych jelitach. Podobnie jak nasze ciała podążają za wewnętrznym zegarem (rytmem okołodobowym), mikroorganizmy jelitowe również mają swoje własne rytmy, dostosowując swoje działania w zależności od pory dnia i tego, kiedy jemy – powiedział dr Amir Zarrinpar, gastroenterolog i profesor nadzwyczajny medycyny w UC San Diego School of Medicine i starszy autor badania. Naukowiec i jego zespół byli szczególnie zainteresowani zaobserwowaniem, czy przyjęcie podejścia TRF przeciwdziała szkodliwym skutkom metabolicznym często związanym ze spożywaniem diety wysokotłuszczowej.
Naukowcy oddzielili trzy grupy myszy, aby przeanalizować ich aktywność mikrobiomu: jedną na diecie wysokotłuszczowej z nieograniczonym dostępem, drugą na tej samej diecie wysokotłuszczowej w oknie TRF wynoszącym 8 godzin dziennie oraz grupę kontrolną na normalnej diecie żywieniowej z nieograniczonym dostępem.
– U myszy rytmy mikrobiologiczne są dobrze dostosowane do ich nocnego trybu życia. Na przykład w okresie aktywności nocnej zwiększają się pewne korzystne działania mikrobiologiczne, które pomagają trawić pokarm, wchłaniać składniki odżywcze i regulować metabolizm. Wybraliśmy 8-godzinne okno żywieniowe, opierając się na wcześniejszych badaniach pokazujących, iż ten okres pozwala myszom spożywać taką samą całkowitą liczbę kalorii, jak te z nieograniczonym dostępem do pożywienia. Kontrolując kalorie w ten sposób, zapewniamy, iż wszelkie korzyści metaboliczne lub mikrobiologiczne, które obserwujemy, wynikają konkretnie z pory jedzenia, a nie z różnic w całkowitym spożyciu pokarmu – powiedział Zarrinpar.
Metatranskryptomika rejestruje aktywność mikrobiologiczną w czasie rzeczywistym
Zanim jednak można było dokonać jakichkolwiek obserwacji, zespół najpierw potrzebował sposobu, aby zobaczyć zmiany w mikrobiomach jelitowych zwierząt w czasie rzeczywistym. Zarrinpar i jego współpracownicy byli w stanie to odkryć dzięki metatranskryptomice, technice wykorzystywanej do rejestrowania aktywności mikrobiologicznej w czasie rzeczywistym poprzez profilowanie transkryptów RNA. W porównaniu z bardziej tradycyjną techniką metagenomiki, którą można było wykorzystać jedynie do określenia, które geny są obecne, metatranskryptomika zapewniła bardziej dogłębny kontekst czasowy i związany z aktywnością, umożliwiając zespołowi obserwację dynamicznych zmian mikrobiologicznych.
Metatranskryptomika pomaga nam zrozumieć nie tylko, które mikroorganizmy są obecne, ale konkretnie, co robią w danym momencie. W przeciwieństwie do tego, metagenomika patrzy tylko na DNA drobnoustrojów, które dostarcza informacji o tym, czy drobnoustroje są potencjalnie zdolne do działania, ale nie mówi nam, czy te geny są aktywnie wyrażane. Porównując ekspresję genów drobnoustrojów (przy użyciu metatranskryptomiki) i obfitość genów drobnoustrojów (za pomocą metagenomiki) w różnych dietach i warunkach żywienia w fazach dnia i nocy, chcieliśmy określić, w jaki sposób czas jedzenia może wpływać na aktywność drobnoustrojów – stwierdził Zarrinpar.
Wyniki badania
Po monitorowaniu trzech grup myszy przez 8 tygodni ujawniono wyniki. Zgodnie z przewidywaniami myszy z nieograniczonym dostępem do diety wysokotłuszczowej wykazywały oznaki dysfunkcji metabolicznej z powodu zakłóceń w ich rytmie okołodobowym i mikrobiologicznym.
– Kiedy myszy mają swobodny dostęp do diety wysokotłuszczowej, ich normalne zachowania żywieniowe znacznie się zmieniają. Zamiast ograniczać swoją aktywność i żerować do aktywnego okresu nocnego, myszy te zaczynają nie spać i jeść w ciągu dnia, który jest ich typową fazą odpoczynku. Ta niezwykła aktywność w ciągu dnia zakłóca ważne procesy fizjologiczne. W związku z tym zwierzęta doświadczają niewspółosiowości okołodobowej, stanu podobnego do tego, którego doświadczają pracownicy zmianowi, gdy ich cykle snu, czuwania i jedzenia nie pokrywają się z ich wewnętrznymi zegarami biologicznymi. Ta niewspółosiowość może negatywnie wpływać na metabolizm, odporność i ogólny stan zdrowia, potencjalnie prowadząc do chorób metabolicznych – wyjaśnił Zarrinpar.
W przypadku myszy, które spożywały dietę wysokotłuszczową w oknie TRF, fenotypowanie metaboliczne wykazało, iż ich specyficzny schemat diety chronił je przed szkodliwymi skutkami wywołanymi przez wysoką zawartość tłuszczu, w tym otyłością, stanem zapalnym i insulinoopornością.
Jeszcze bardziej obiecujące jest to, iż myszy nie tylko były chronione przed zakłóceniami metabolicznymi, ale także doświadczyły poprawy fizjologicznej, w tym homeostazy glukozy i częściowego przywrócenia codziennych rytmów mikrobiologicznych nieobecnych u myszy z nieograniczonym dostępem do diety wysokotłuszczowej.
Podczas gdy podejście TRF nie przywróciło w pełni normalnej, zdrowej rytmiczności obserwowanej u myszy kontrolnych, naukowcy zauważyli wyraźne zmiany we wzorcach mikrobiologicznych, które wskazywały na zależne od czasu wzbogacenie genów przypisywanych metabolizmowi lipidów i węglowodanów.
Dzięki projektowi TRF udało się potwierdzić rolę BSH w mikrobiocie jelitowej
Prof. Zarrinpar zauważył, iż dzięki tym nowym technologiom metatranskryptomika stanie się bardziej standardową, szeroko stosowaną metodą dla naukowców, dzięki czemy uda im się lepiej zrozumieć wpływ aktywności mikrobiologicznej na nasze zdrowie. Dzięki nim naukowcy skupili się na transkrypcji enzymu hydrolazy soli żółciowych (BSH). BSH reguluje metabolizm lipidów i glukozy a naukowcy zidentyfikowali go jako enzym mający najważniejszy wpływ na obserwowalną poprawę metaboliczną.
Zespół wykorzystał inżynierię genetyczną, aby wprowadzić kilka aktywnych wariantów BSH do łagodnego szczepu bakterii jelitowych, który podawano myszom. Jedynym wariantem, który powodował poprawę metaboliczną, był pochodzący z Dubosiella newyorkensis: myszy, którym podano zmodyfikowane rodzime bakterie z ekspresją BSH (ENB), miały zwiększoną beztłuszczową masę mięśniową, mniej tkanki tłuszczowej, niższy poziom insuliny, zwiększoną wrażliwość na insulinę i lepszą regulację poziomu glukozy we krwi.
– pozostało za wcześnie, aby poznać pełny potencjał kliniczny tej nowej, zmodyfikowanej bakterii wykazującej ekspresję BSH. Jednak naszym długoterminowym celem jest opracowanie środka terapeutycznego, który może być podawany w pojedynczej dawce, stabilnie kolonizuje jelita i zapewnia długotrwałe korzyści metaboliczne – ocenił naukowiec.
Zmodyfikowane bakterie działają w leczeniu zaburzeń metabolicznych tak jak TRF
Testowanie zmodyfikowanych bakterii u myszy otyłych i chorych na cukrzycę na diecie wysokotłuszczowej byłoby kolejnym krokiem w celu ustalenia, czy ich potencjał rzeczywiście się utrzymuje. jeżeli okaże się skuteczna, może zostać wykorzystana do opracowania przyszłych terapii celowanych i interwencji w leczeniu powszechnych zaburzeń metabolicznych.
Zarrinpar i jego zespół mają nadzieję, iż dzięki tym zmodyfikowanym bakteriom można odtworzyć korzyści mikrobiologiczne związane z przestrzeganiem harmonogramu diety TRF.
– W naszym badaniu zmodyfikowana bakteria w sposób ciągły eksprymowała enzym DnBSH1, niezależnie od czynników dietetycznych lub środowiskowych. W rezultacie zapewniła korzyści metaboliczne podobne do tych obserwowanych w przypadku TRF, choćby bez wymagania od myszy ścisłego przestrzegania harmonogramu TRF. Sugeruje to możliwość, iż zmodyfikowany mikroorganizm może służyć jako zamiennik TRF lub jako sposób na wzmocnienie jego korzystnych efektów. Dalsze badania pomogą ustalić, czy połączenie tego ENB z TRF może zapewnić dodatkową lub synergiczną poprawę zdrowia metabolicznego – podkreślił Zarrinpar.
Badanie UC San Diego przyczynia się do ogólnego zrozumienia interakcji gospodarz–mikroorganizm.
– Wykazaliśmy, iż rytmy okołodobowe gospodarza znacząco wpływają na funkcjonowanie drobnoustrojów i odwrotnie – funkcje mikrobiologiczne mogą bezpośrednio wpływać na metabolizm gospodarza. Co ważne, dysponujemy teraz metodą pozwalającą na sprawdzenie, w jaki sposób określone działania mikrobiologiczne wpływają na fizjologię gospodarza poprzez inżynierię rodzimych bakterii jelitowych – podsumowali naukowcy.
