Sinergia e adaptação do oxigênio para o desenvolvimento do próximo

Natureza (2023)Cite este artigo

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A microbiota intestinal humana ganhou interesse como um fator ambiental que pode contribuir para a saúde ou doença1. O desenvolvimento de probióticos de próxima geração é uma estratégia promissora para modular a microbiota intestinal e melhorar a saúde humana; no entanto, vários candidatos importantes a probióticos de próxima geração são estritamente anaeróbicos2 e podem exigir sinergia com outras bactérias para um crescimento ideal. Faecalibacterium prausnitzii é uma bactéria intestinal humana altamente prevalente e abundante associada à saúde humana, mas ainda não foi desenvolvida em formulações probióticas2. Aqui descrevemos o co-isolamento de F. prausnitzii e Desulfovibrio piger, uma bactéria redutora de sulfato, e sua alimentação cruzada para crescimento e produção de butirato. Para produzir uma formulação probiótica de próxima geração, adaptamos F. prausnitzii para tolerar a exposição ao oxigênio e, em estudos de prova de conceito, demonstramos que o produto simbiótico é tolerado por camundongos e humanos (identificador ClinicalTrials.gov: NCT03728868) e é detectado no intestino humano em um subconjunto de participantes do estudo. Nosso estudo descreve uma tecnologia para a produção de probióticos de próxima geração baseada na adaptação de bactérias estritamente anaeróbicas para tolerar exposições ao oxigênio sem redução nas propriedades benéficas potenciais. Nossa tecnologia pode ser usada para o desenvolvimento de outras cepas estritamente anaeróbicas como probióticos de próxima geração.

A microbiota intestinal humana adulta consiste em pelo menos tantas células bacterianas quanto o nosso número total de células somáticas e germinativas3 e os seus genomas coletivos (microbioma) contêm mais de 500 vezes mais genes do que o nosso genoma humano4. A metagenómica comparativa revelou que, em comparação com o microbioma de pacientes com diabetes tipo 25,6,7, hiperlipidemia8 e doença inflamatória intestinal9,10, um microbioma saudável está frequentemente associado a uma maior diversidade microbiana e a uma maior abundância de bactérias produtoras de butirato, como Faecalibacterium prausnitzii. Em particular, F. prausnitzii é uma espécie-chave cuja abundância varia com a idade e o estilo de vida, e está relativamente esgotada na microbiota intestinal das pessoas que vivem no mundo ocidental11.

Os microrganismos intestinais humanos não agem isoladamente, mas formam interações ecológicas complexas que são importantes para a homeostase intestinal. Um atributo chave da microbiota intestinal é a fermentação de hidratos de carbono em ácidos gordos de cadeia curta (AGCC), incluindo o butirato, que está associado a vários benefícios para o hospedeiro12. A fermentação é o principal processo de geração de energia utilizado pelos microrganismos intestinais, e a remoção de subprodutos do sumidouro de elétrons da fermentação, como lactato e hidrogênio, é essencial para manter os processos fermentativos . Conseqüentemente, os eliminadores de hidrogênio, como os metanógenos e as bactérias redutoras de sulfato, são importantes para o estabelecimento de redes metabólicas intestinais .

Aqui relatamos o isolamento de uma nova cepa de F. prausnitzii em co-cultura com uma nova cepa do redutor de sulfato Desulfovibrio piger. Descrevemos o desenvolvimento de uma tecnologia para a produção de F. prausnitzii como probiótico de próxima geração e avaliamos sua segurança para consumo humano.

Para preservar as interações microrganismo-microrganismo e isolar bactérias que são capazes de servir como sumidouro de elétrons e remover o lactato, plaqueamos material fecal de um indivíduo saudável diretamente em placas de ágar de meio Postgate (PGM) em condições anaeróbicas (Métodos). Sob estas condições, isolamos uma cepa de F. prausnitzii (DSM32186) que cresceu em PGM como co-cultura com uma cepa de D. piger (DSM 32187) (Fig. 1a, b). D. piger são bacilos Gram-negativos anaeróbicos obrigatórios, não fermentadores15 e redutores de sulfato predominantes no intestino humano16, não ocorrem isoladamente fora do intestino e, portanto, são considerados comensais específicos do intestino17.

a, Co-cultura de F. prausnitzii DSM 32186 e D. piger DSM 32187 em placas de PGM sem suplementação de glicose ou acetato. b, coloração de Gram de colônias do isolamento de F. prausnitzii DSM 32186 e D. piger DSM 32187. As setas indicam F. prausnitzii (hastes fusiformes longas) (1) e D. piger (hastes curtas) (2). Barra de escala, 10 μm. c, Dendrograma ilustrando a relação entre D. piger DSM 32187 e genomas relacionados. d, Dendrograma ilustrando a relação entre F. prausnitzii DSM 32186 e genomas relacionados. e, O número de unidades formadoras de colônias de F. prausnitzii DSM 32186 em monocultura e em cocultura com D. piger DSM 32187 sob condições anaeróbicas em mPGM (PGM contendo 25 mM de glicose) por 24 h. P = 0,0003. f, Perfis metabólicos de F. prausnitzii DSM 32186 e D. piger DSM 32187 cultivados como monoculturas ou co-cultura sob condições anaeróbicas em meio mPGM por 24 h. Glicose: P = 0,0000031 (F. prausnitzii + D. piger versus D. piger), P = 0,0000038 (F. prausnitzii + D. piger versus F. prausnitzii); lactato: P = 0,0000001 (F. prausnitzii + D. piger versus D. piger), P = 0,0000005 (F. prausnitzii versus D. piger), P = 0,00014 (F. prausnitzii + D. piger versus F. prausnitzii); acetato: P = 0,0000004 (F. prausnitzii + D. piger versus D. piger), P = 0,0000003 (F. prausnitzii versus D. piger); butirato: P = 0,000001 (F. prausnitzii + D. piger versus D. piger), P = 0,0000031 (F. prausnitzii + D. piger versus F. prausnitzii). 'mM change' no eixo y indica a diferença na concentração do meio inoculado na linha de base. g, Esquema da alimentação cruzada sugerida entre F. prausnitzii e D. piger como cocultura em mPGM. n = 3 experimentos independentes, ***P < 0,001 determinado pelo teste t bicaudal (e) ou ANOVA unidirecional (f). Os dados são média ± sem