Мікробна ферментація харчового білка: важливий фактор взаємодії дієта – мікроб – господар

Анотація

1. Вступ

Амінокислоти є будівельними блоками для мікробного білка, що робить їх важливими для росту мікробів. Однак вони також можуть бути ферментовані як джерело енергії [8]. Неперетравлені пептиди розщеплюються протеолітичними бактеріями і згодом використовуються або для протеолітичного бродіння, або для утворення мікробних клітинних компонентів. Мікробний білок має високу частку амінокислот з розгалуженим ланцюгом, хоча точний склад різниться між бактеріальними штамами [8]. Катаболізм призводить до багатьох метаболітів, які впливають на господаря поза межами доступності амінокислот. Доля амінокислот залежить від екологічних та дієтичних факторів, що впливають на відносну кількість протеолітичного бродіння. Наприклад, низький вміст харчових волокон може призвести до посилення протеолітичного бродіння через низьку кількість ферментованих вуглеводів у товстій кишці [9]. Зміщення в бік посиленого протеолітичного бродіння може змінити відносну чисельність мікробних видів у кишечнику та утворити біоактивні, потенційно шкідливі продукти метаболізму [8].

Доступна обмежена інформація про роль протеолітичного бродіння у складних метаболічних мережах між мікробами кишечника та їх господарем. Потрібна додаткова інформація про те, яка продукція виробляється, які види задіяні чи постраждалі, і як ці зміни поєднуються, щоб вплинути на господаря. Доповнюючи інші огляди, ми опишемо, як шляхи протеолітичного бродіння, утворених метаболітів та режиму харчування сходяться для впливу на здоров’я. Зокрема, цей огляд буде зосереджений на специфічних для компартментів ефектах протеолітичного бродіння в різних сегментах кишечника разом з такими метаболітами, як аміак, р-крезол та аміни, які можуть формувати здоров'я.

2. Протеолітичне бродіння включає багато метаболічних шляхів

Моделювання метаболічних мереж хазяїна та мікробіоти з використанням анотації геному виявило 3499 різних реакцій; з них 1267 є унікальними для мікробіоти, а 1142 ділиться з господарем [4]. Коли ці реакції приписуються більшим функціям, стають очевидними складні взаємозалежності метаболізму господаря та мікробіоти. Три чверті всіх шляхів використовують реакції як господаря, так і мікробіоти [4]. Ця співпраця реакцій господаря та мікробів визначає долю харчового білка в кишечнику та загальний вплив на амінокислотний баланс та метаболізм господаря (рисунок 1). Взаємозв’язок метаболічних реакцій також ускладнює моделювання динаміки ферментації в середовищі кишечника, обмежуючи наше сучасне розуміння ферментації білка.

Доля харчового білка в кишечнику визначається мережею обмінних процесів, що включає як травлення, так і використання мікроорганізмів як господаря, так і мікроорганізмів. Домінуючі ефекти для кожного відсіку виділені жирним шрифтом і показані темно-синіми стрілками.

3. Протеолітичне бродіння утворює різноманітні метаболіти

Ідентифікація метаболітів, що утворюються внаслідок протеолітичного бродіння в просвіті кишечника, до теперішнього часу була обмежена складністю вмісту просвіту та обмеженнями у класифікації метаболітів як похідних господаря або мікробів [4]. Подібно бродінню клітковини, при ферментації білка утворюються коротколанцюгові жирні кислоти; однак вони супроводжуються приєднаними до гілок жирними кислотами, аміаком, амінами, сірководнем, фенолами та індолами [14]. Деякі амінокислоти мають характерні метаболітні профілі, такі як ті, що генеруються для розгалужених та ароматичних амінокислот, які можуть бути використані як індикатор ферментації білка в кишечнику [15]. Багато з цих продуктів також ідентифікуються як біоактивні молекули, які виконують роль у передачі сигналів.

Окрім BCFA та аміаку, все більший інтерес приділяється іншим метаболічним похідним протеолітичного бродіння. Деякі з цих продуктів причетні до захворювань, включаючи рак прямої кишки, тоді як інші, такі як дієтичні поліаміни, відіграють важливу роль у фізіології клітин слизової оболонки тонкої кишки та розвитку імунної системи [4,22,23]. Поліаміни виробляються за допомогою різноманітного набору шляхів, що призводять до декарбоксилювання амінокислот [24,25]. Багато видів, що продукують амін, з родів, включаючи Bifidobacterium, Clostridium, Lactobacillus, Escherichia та Klebsiella, були виявлені в мікробіоті кишечника [26]. Бактерії використовують поліаміни в синтезі РНК як структурні компоненти клітинних мембран або пептидоглікану, а також для захисту від пошкодження активними формами кисню або кислим середовищем [27]. Це вироблення амінів під час фізіологічного стресу може призвести до змін у патогенності бактерій, а також сприйнятливості хазяїна до інфекції, роблячи ці сполуки кандидатами для подальших досліджень щодо їх ролі в шлунково-кишковій інфекції, а також канцерогенезу, що далі обговорюється в подальшому розділи [27].

На сьогодні визначено десять шляхів гниття, що утворюють ці різноманітні кінцеві продукти, і їх відносять до багатьох основних мікробних видів кишечника, включаючи Firmicutes, Bacteroidetes та Proteobacteria [28]. Ферментація ароматичних амінокислот може бути особливо важливою в біологічному плані. оскільки це утворює широкий спектр біоактивних кінцевих продуктів, таких як фенол та р-крезол (тирозин), або індол та скатол (триптофан) [4]. Імовірнісна побудова шляхів визначила три мікробні шляхи, які катаболізують триптофан і утворюють загалом 10 продуктів, шість з яких беруть участь у метаболізмі господаря [4]. Докази ролі мікробів у виробництві цих продуктів демонструє їх мінімальна кількість у сліпому кишці безмікробних мишей [4]. Метаболізм мікробіоти тирозину може виробляти фенол, продукт, який не виявляється за відсутності мікробів [4]. Ці метаболіти є чудовими кандидатами для подальшого дослідження та перевірки, щоб визначити, які мікробні види можуть бути важливими для утворення специфічних метаболітів in vivo. В даний час мало відомо про те, як зміни мікробіоти впливають на вироблення цих біоактивних молекул.

4. Багато мікробних видів сприяють протеолітичному бродінню

5. Протеолітична ферментація в кишківнику впливає на баланс амінокислот господаря

Незважаючи на швидкий час транзиту та високий ступінь поглинання хазяїном пептидів та амінокислот, дані свідчать про те, що утилізація амінокислот у мікроорганізмах починається в тонкому кишечнику [8,31]. Зміни в структурі клубової мікробіоти було продемонстровано у відповідь на рівень білка в їжі [32]. Порівняно з високобілковою дієтою (16% сирого білка), помірний харчовий білок (13% сирого білка) зменшує Clostridiaceae та біогенні аміни в клубовій кишці свиней, одночасно збільшуючи білки з щільним з'єднанням клаудин та окклюдин [33]. Це суперечить іншим дослідженням, що демонструють сприятливий вплив амінів на функцію кишечника, і припускає, що може існувати пороговий ефект, за якого вироблення амінів шкодить функції бар'єру кишечника. Поліаміни легко всмоктуються з просвіту кишечника і є важливими регуляторами клітинного метаболізму, росту та проліферації [34]. Однак при високій концентрації амінів було показано, що аміни спричиняють запалення та скидання епітелію слизової оболонки шлунково-кишкового тракту, а також дезорганізацію тканини підшлункової залози у молодих тварин [35].

6. Протеолітичне бродіння в кишечнику утворює біоактивні кінцеві продукти

У людини вуглеводне бродіння відбувається переважно в проксимальній кишці, в результаті чого дистальна кишка містить субстрат із низьким бродінням. Білок, що надходить у товстий кишечник, може надходити з неперетравленої їжі, бактеріальних клітин та ендогенних втрат кишечника. Ці ендогенні втрати включають білок з ферментів, слизу та забруднених епітеліальних клітин [39]. Тонкий кишечник робить найбільший внесок у ендогенні втрати і на нього можуть впливати такі фактори, як якість білка та споживання клітковини [39]. Тип волокна також впливає на ступінь ендогенних втрат. Наприклад, пшеничні висівки збільшують ендогенні втрати, тоді як ніякого ефекту не спостерігається з целюлозою [40]. Цей ефект може залежати від того, наскільки певний тип клітковини збільшує секрецію ферментів та вироблення слизової або зменшує засвоюваність амінокислот у тонкому кишечнику [39,41]. Потік білка, що виникає в товстій кишці, може не призвести до згубного накопичення кінцевих продуктів у цих випадках, оскільки він супроводжується доступними для мікробів вуглеводами.

7. Дієта впливає на протеолітичне бродіння

Цей висновок про посилене протеолітичне бродіння, незважаючи на менший рівень захворюваності на КРР, свідчить про те, що посилене бродіння вуглеводів, яке спостерігається у сільських районах Південної Африки, може чинити захисний ефект від впливу протеолітичних метаболітів на розвиток КРК. Коли досліджуються метаболічні мережі, в африканській дієті ферментація амінокислот з розгалуженим ланцюгом збільшується. Однак р-крезол у сечі був вищим у афроамериканців до дієтичного втручання [48]. Це підтверджує припущення, що надмірне споживання клітковини може змінити шляхи бродіння білка та забезпечити захисний ефект від запалення та порушення клітинних циклів (рис. 2). Механізми, що лежать в основі цього зсуву в протеолітичній ферментації від шкідливих метаболітів, ще слід з’ясувати. Можливі механізми можуть включати інгібування певних шляхів бродіння або бродіння певними мікробними видами. Подібним чином, бродіння клітковини та наслідки зміни в’язкості розщеплення можуть змінити взаємодію між метаболітами та слизовою, обмежуючи шкідливий вплив цих метаболітів. Потрібна додаткова інформація про ці складні метаболічні взаємодії, перш ніж можна буде дати чіткі рекомендації.