Soli o ben accompagnati? La avventure chimiche del microbioma

Conoscere il microbioma

Meglio soli che mal accompagnati, questo è certo. Ma siamo sicuri di essere veramente soli, anche quando intorno a noi non vediamo anima viva? Il segreto è guardare non fuori, ma dentro di noi. E allora sì che ne troviamo, di vita! Sono circa 1000 le specie individuate fra tutte quelle che godono della nostra ospitalità colonizzando ampiamente le diverse aree del nostro corpo e dandosi a luculliani banchetti con tutto ciò che trovano intorno a sé. Ma sono solitamente così discreti e silenziosi, e soprattutto invisibili, che nemmeno ce ne accorgiamo. Invisibili all’occhio umano, naturalmente. Sappiamo bene che batteri, virus e microbi in generale hanno dimensioni ben definite al microscopio, eppure, nonostante siano così tanti, nella maggior parte dei casi se ne stanno buoni buoni ad approfittare della nostra “locanda”. Parassiti, dunque? Non proprio. Un ruolo ce l’hanno anche loro, o almeno alcuni di essi. Prendiamo dunque la lente di ingrandimento e andiamo a conoscere i nostri piccoli ospiti.

bacteriaPotremmo stringere la mano ad uno ad uno chiedendo loro il nome, ma, per comodità, useremo un termine che li raggruppi tutti assieme e ci permetta di indicarli come un’unica popolazione. Agli scienziati piace chiamarli “microbioma”, parola che più correttamente ha sostituito quella di “flora intestinale” che siamo abituati a sentire normalmente nel gergo comune e che, impropriamente, esclude quei microrganismi che albergano nella parte superiore del tubo digerente e nelle altre aree del nostro corpo. Si tratta prevalentemente di batteri, di tante specie diverse ma che hanno, perlopiù, un’abilità in comune: sopravvivere in assenza di ossigeno. Sono pertanto batteri anaerobi. Altri, invece, ne hanno bisogno e, pertanto, sono definiti aerobi. Proprio a questo proposito, trattandosi di batteri, il richiamo alla flora risulta ancor più inadeguato e obsoleto. Quando ci riferiamo in maniera specifica alla popolazione presente nel nostro tubo digerente, il termine esatto è microbiota, l’insieme degli organismi definiti simbionti il cui rappresentante più famoso è senz’altro lui, Escherichia Coli. Non è il solo ovviamente, parliamo di numeri importanti, in termini di batteri ma anche di materiale genetico.

Si stima, infatti, che la quantità di geni del microbiota sia 100 volte maggiore di quella del genoma umano. E le sorprese non finiscono qui. È noto ad oggi che mentre la differenza nel codice genetico di ognuno di noi è irrisoria, tanto da farci pensare di essere quasi identici l’uno all’altro, le somiglianze fra la popolazione microbica appartenente ad un organismo e l’altra sono talmente basse che si attestano intorno al 10%. Come ognuno di noi ha la propria cerchia di amici, che può in parte combaciare con quella di altri, anche il gruppo di ospiti microbici che alberga dentro di noi cambia da individuo a individuo. Siamo unici anche per questo. Ma non sono solo i batteri ad abitare al nostro interno; virus, protozoi, funghi sono altre specie di ospiti che, a loro modo, partecipano alla vita di comunità interagendo tra loro e con le cellule del nostro corpo. D’ora in poi, quando pensiamo a ciò di cui siamo fatti, ricordiamoci di includere anche loro nella conta: cellule umane e cellule microbiche. D’altro canto ci accompagnano sin dalla nascita, quando il tratto digerente è completamente sterile e viene colonizzato immediatamente, a partire dal parto, dai microorganismi con cui veniamo in contatto provenienti dal tratto riproduttivo e fecale della madre.

gut-microbiomeNon è stato facile arrivare a determinare il numero di specie che alberga nei nostri corpi. Si tratta di un grande progetto, tutt’ora in corso, che, con forte ambizione e grandi investimenti economici, mira a conoscere il più approfonditamente possibile tutti i numerosi componenti della nostra famiglia interna, a farne un identikit e a cercare di capire quali somiglianze e differenze ci sono tra l’una e l’altra popolazione che alberga in ognuno di noi. E quale modo migliore se non quello di studiarne la componente genetica e la sua espressione? Con le nuove tecniche di sequenziamento (NGS) è stato possibile, ad oggi, capire quanto numerosi siano i geni che caratterizzano i nostri ospiti e come la nostra inusuale convivenza sia tutt’altro che monotona. L’espressione del nostro genoma, tanto quanto la loro, fa sì che si verifichino costantemente interazioni che hanno conseguenze quotidiane per nulla scontate. Quello che mangiamo, quello che espelliamo, il nostro umore, addirittura, sono fortemente influenzati dal lavoro di tali microrganismi, in una maniera, fra l’altro, discretamente dipendente dall’individuo in questione. Perché? E soprattutto, perché è così importante conoscerli?

Partiamo da un concetto fondamentale: il nostro corpo è una grande centrale di trasformazione. In ogni momento avvengono migliaia di reazioni chimiche contemporaneamente, in una catena di processi talvolta dipendenti l’uno dall’altro, altre volte semplicemente paralleli. Non esiste al mondo una centrale in grado di raggiungere la quantità di lavoro e di specie chimiche prodotte dal nostro organismo per unità di tempo: siamo sorprendentemente efficienti. In tutto questo ognuno fa la sua parte, prima o poi. Le nostre cellule, di ogni parte del corpo, e le cellule dei nostri ospiti sono parte attiva di questo processo di trasformazione, provvedendo alla fornitura o allo smaltimento di sostanze che, rispettivamente, sono essenziali per il nostro organismo o devono essere allontanate da esso. Le implicazioni nella gestione di questo intricato groviglio di processi chimici sono talmente importanti e numerose che se andiamo a vederle macroscopicamente ci rendiamo conto che l’invisibilità non fa dei nostri ospiti degli esseri poco importanti. Come dire, l’essenziale è invisibile agli occhi.

Eppure è ormai scientificamente accettato che il microbioma, con particolare riferimento alla popolazione che abita il tratto gastro-intestinale, ha forti influenze in aree medico-sanitarie e patologiche numerose e varie; dalla nutrizione all’immunologia, alle patologie cardiovascolari passando anche per la neurobiologia; addirittura ad esso sembrano essere riconducibili alcuni disordini psichiatrici. Dalla popolazione del tratto intestinale, che sicuramente rappresenta la parte più interessante e variegata in termini di processi e importanza, a quella cutanea, fecale e vaginale, le specie che possiamo incontrare e che, volenti o nolenti, ci condizioneranno la vita, sono tante. La ragione è semplice a dirsi. Come ogni cellula, anche loro esprimono un corredo enzimatico coinvolto nelle normali reazioni metaboliche che servono a mantenerli in vita e, allo stesso tempo, concorrono a modificare e trasformare insieme al metabolismo dell’organismo ospite tutti quei substrati con cui entrano in contatto durante il loro ciclo vitale. Questo avviene ovviamente in maniera specie-specifica e con una selettività che dipende dalle condizioni chimiche del tratto in cui la popolazione microbica vive, dai ceppi presenti e dal funzionamento degli organi che compongono l’organismo ospite. In sintesi, ecco a voi quelle che vengono definite dagli scienziati le interazioni “microbioma-host”. 

Reazioni chimiche, quindi, che implicano numerosi passaggi e, inevitabilmente, la formazione di specie più o meno desiderate. Proprio la molteplicità di step e la velocità con cui essi avvengono rende difficile la determinazione di tutte le specie coinvolte e degli intermedi di reazione. Come possiamo quindi sapere cosa avviene dentro di noi?

Tipologie di reazioni metaboliche ad opera del microbiota.Le nuove tecnologie hanno permesso, nelle ultime decine di anni, di comprendere gli effetti delle trasformazioni cosiddette “metaboliche” grazie allo studio di ciò che si trova nel plasma e, non meno importante, nelle urine. Siamo abituati a considerarle uno scarto insignificante, ma hanno regalato svariate soddisfazioni e milioni di interessanti dati da quando gli scienziati hanno iniziato a studiarne la composizione.

La metabolomica, così viene definito lo studio del contenuto in metaboliti di una cellula o di un campione, consente di eseguire ricerche per caratterizzare i sistemi biologici in modo diverso ma complementare agli studi di genomica e proteomica, con una vasta gamma di applicazioni nella ricerca di base e clinica, nello sviluppo dei farmaci, in tossicologia ambientale, nell’ottimizzazione delle colture agricole e nella scienza alimentare. È stata una delle più importanti rivoluzioni nella ricerca clinica degli ultimi decenni, e anche in questo caso ci aiuterà a capire meglio di cosa si occupano quotidianamente i nostri ospiti.

Introduciamo il concetto di metabolita. Si tratta di molecole organiche, più o meno complesse, che vengono prodotte da un processo di trasformazione e si comportano da importanti modulatori, substrati, prodotti secondari ed elementi base di diversi processi biologici, fornendo informazioni importanti sullo stato fisiologico e funzionale del sistema che stiamo studiando. L’accumulo di un metabolita specifico, ad esempio, può indicare il corretto o scorretto funzionamento di una via metabolica, l’attivazione di una certa risposta ad un segnale o l’ottimizzazione di una via biosintetica. Come è possibile identificare queste specie chimiche? Le loro strutture possono essere caratterizzate da livelli di complessità molto diversi e, a seconda dei casi, possono richiedere strumentazioni differenti per una determinazione e, soprattutto, una quantificazione ottimale. Trattandosi prevalentemente di sostanze presenti in campioni a base acquosa, le metodiche utilizzate per rivelarli prevedono l’utilizzo di strumentazioni come la cromatografia liquida con rivelatori (LC-MS o liquid chromatography-mass spectrometry) o, in alcuni casi, come la cromatografia liquida con rivelazione UV / a serie di diodi (LC-DAD). Sono sostanze che presentano nella struttura differenze minime, in cui anche la forma dissociata o indissociata può fare la differenza. Pertanto la tecnica più affidabile e sensibile per la loro rivelazione risulta essere senz’altro quella che si basa sul peso molecolare, grazie alla quale la presenza o l’assenza di un atomo di idrogeno, di un gruppo ossidrile o di un metile riesce a essere determinata in maniera molto efficace.

Grazie ai dati raccolti negli ultimi anni, che hanno popolato le pagine della letteratura scientifica sull’argomento, ad oggi è possibile orientarsi tra le numerose tipologie di reazioni che quotidianamente avvengono nel nostro corpo, che vedono la partecipazione sia dei nostri organi cellulari che delle varie specie di batteri: questa collaborazione fa sì che i prodotti di un processo e dell’altro si influenzino reciprocamente con implicazioni che spiegano sia la nostra assoluta diversità sia le ripercussioni sul nostro stato di salute. Le reazioni chimiche di cui parliamo avvengono, in entrambi i casi, ad opera di enzimi, frutto dell’espressione genica del DNA nostro e delle altre numerose specie che compongono il microbioma. Espressione genica che non è uguale in ogni individuo e che fa si che si possano verificare differenze qualitative e quantitative, tanto nel nostro organismo quanto in quello microbico. Questo la dice lunga sulla quantità di variabili che intervengono nel complesso processo metabolico. Per capire meglio questa complessità cerchiamo di indagare più a fondo su cosa succede dal punto di vista chimico alle sostanze che entrano nel nostro organismo quando vanno incontro alle reazioni di trasformazione, focalizzandoci sul ruolo che la popolazione batterica gioca nei vari processi. I batteri che si trovano nell’intestino, che compongono il cosiddetto microbiota umano, sono in grado di idrolizzare glicosidi, glucuronidi, solfati, ammidi, esteri e lattoni. Ma non solo; riduzioni, decarbossilazioni, demetilazioni e deidrossilazioni sono altre reazioni possibili e all’ordine del giorno.

Metabolismo e microbiota: specie chimiche a confronto

Fenoli 

Una delle classi di sostanze con cui il nostro organismo entra in contatto è quella dei fenoli, che comprende numerosissime specie presenti nella nostra dieta quotidiana, in particolare nei vegetali, e rappresenta un interessante esempio per parlare dei meccanismi metabolici. Dal punto di vista chimico la classe dei composti fenolici presenta differenze strutturali che permettono di distinguere le specie a seconda della posizione degli anelli che compongono lo scheletro dell’acido organico. Possiamo subito fare, ad esempio, una prima distinzione tra flavonoidi e non flavonoidi. Prima precisazione: in natura i fenoli sono solitamente presenti come composti coniugati, ovvero legati ad uno zucchero, e prendono il nome di glicosidi.

diapositiva1Una delle reazioni che tipicamente il nostro organismo mette in atto e che permette di “snellire” questa struttura rendendo i fenoli più attivi e meglio assorbibili è la cosiddetta deconiugazione, che può essere operata sia da nostri enzimi che da quelli batterici, formando i cosiddetti agliconi. Non si tratta di una regola: talvolta possono essere assorbiti come glicosidi e deconiugati in un secondo momento ad opera di specifici enzimi, le beta-glucosidasi, nelle cellule dell’epitelio intestinale. In questo processo alcuni batteri sono in grado di operare una deconiugazione ad opera di enzimi come R-ramnosidasi, β-glucosidasi e β-glucuronidasi. I metaboliti formatisi in parte vanno in contro al circolo entero-epatico, pertanto vengono assorbiti dal colon e trasformati dagli enzimi delle nostre cellule epatiche in metaboliti di fase 2, ovvero vengono “appesantiti” con gruppi glucuronil-metil-etere o glucuronil-solfato ed escreti nell’intestino insieme alla bile. La parte che non ha subito tale processo viene rigenerata ad opera della flora microbica e assorbita nell’intestino. Questo era per farla facile. La verità è che per ogni tipologia di fenolo, a seconda della struttura che presenta, le reazioni che si verificano e gli enzimi microbici in gioco sono diversi.

Consideriamo la classe dei flavonoidi, caratterizzati da una struttura a 3 anelli, e, a loro volta suddivisibili in ulteriori sottocategorie. In genere le reazioni che si verificano a loro carico sono, in sequenza:

– deglicosilazione, al fine di formare l’aglicone

– rottura di uno degli anelli, solitamente il C

– deidrossilazione, che avviene su posizioni diverse dell’anello B

La velocità e la facilità con cui questi passaggi avvengono dipendono da diversi fattori, non ultimo la tipologia di fenolo e la predisposizione della specie batterica, ovvero la reattività con cui i suoi sistemi enzimatici elaborano il substrato. Trattandosi di reazioni chimiche conseguenti è necessario considerare che il grado di trasformazione è significativamente influenzato dalla concentrazione del substrato, a sua volta funzione della tipologia di dieta, e dalla individuale composizione del microbiota. In questo modo può verificarsi una produzione di metaboliti quantitativamente diversa in ogni individuo, con conseguente differenza nel risultato del processo metabolico in termini di specie prodotte. A seconda che la struttura in esame sia un flavonolo, un isoflavone o un’antocianina potremo riscontrare simili vie di trasformazione ma con risultati diversi in termini di metaboliti prodotti. La posizione della porzione zuccherina, ad esempio, fa sì che nei flavonoli un processo di deglicosilazione avvenga più o meno velocemente a seconda che questa sia legata ad un atomo di carbonio o di ossigeno, determinando quindi una minore o maggiore formazione dell’aglicone corrispondente in termini quantitativi. Anche a livello di preferenze sono stati notati alcuni dettagli: i flavononi, ad esempio, che presentano la porzione glicosidica in posizione 7, risultano meno soggetti a deglicosilazione da parte dei batteri del colon e risultano meglio assorbibili. Altre specie, come le antocianine, risultano particolarmente instabili, soprattutto in forma di aglicone, andando incontro a rapide trasformazioni con un basso rate di assorbimento. Questo avviene meno frequentemente quando la porzione zuccherina della forma glicosidica risulta particolarmente ingombrante o presente in più unità, come fungesse da agente protettivo. Infatti, solo una piccola parte delle antocianine ingerite viene assorbita tal quale o in forma deglicosilata. La forma aglicone viene poi trasformata ed elaborata, ad esempio mediante rottura del nucleo centrale e dando origine all’acido 3,4-diidrossibenzoico. I composti fenolici definiti “non flavonoidi”, invece, comprendono una serie di strutture difficilmente assimilabili tra loro che vanno incontro a processi differenti ma altrettanto interessanti. Tannini, lignani e stilbeni sono alcuni tra questi e godono di trattamenti di favore diversi da parte della popolazione microbica intestinale. Gli stilbeni, ad esempio, di cui il resveratrolo è il rappresentante più noto, difficilmente vengono trasformati ad opera degli enzimi microbici, se non in seguito a modificazioni molecolari avvenute a monte. D’altra parte, la biodisponibilità di tali molecole è di per sé molto bassa e vengono velocemente coniugati come glucuronati o solfati per essere poi escreti con le urine, situazione che rende difficile il loro raggiungimento del colon distale, dove il metabolismo ad opera del microbiota è più consistente. Gli acidi benzoici, dal canto loro, caratterizzati da una struttura molto semplice, vengono trasformati quando risulta disponibile un gruppo idrossilico in posizione 4 sull’anello benzenico, per poi dare origine a metaboliti come pirogallolo, catecolo o metilcatecolo a seconda della molecola di partenza. Loro stessi, per la verità, rappresentano molto spesso metaboliti derivanti da processi di trasformazione a monte.

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Schema riassuntivo del processo di trasformazione dei polifenoli.

Cambiando punto di vista, è d’obbligo valutare, soprattutto nel caso dei composti fenolici, anche l’effetto che essi esercitano sul microbiota. Trattandosi di molecole con un potenziale antimicrobico, non stupisce che la loro assunzione possa giocare un ruolo importante sulla “salute” non solo del nostro organismo ma anche della popolazione microbica. È stato riscontrato, infatti, che alcuni tipi di polifenoli sono in grado di ridurre numericamente alcune specie batteriche, con una selettività che dipende dal tipo di struttura molecolare. Questo fa si che si crei un delicato equilibrio tra l’attività microbica e quella battericida e/o batteriostatica del substrato, con variazioni da individuo a individuo.

Acidi grassi a catena corta (SCFAs) 

Non sono solo i polifenoli, a subire trasformazioni dal microbiota. La fermentazione, noto processo che avviene di norma in ambiente anaerobico, è un’altra delle vie che la popolazione microbica intestinale utilizza per elaborare alcuni substrati che introduciamo con la dieta.I carboidrati e le fibre, ad esempio, che in seguito al processo di fermentazione producono, insieme a gas e calore, acidi grassi a catena corta (SCFAs) come prodotti finali principali, fra cui butirrati, propionati e acetati. La concentrazione di tali specie può variare, nell’ordine del mM, da 100-140 nella porzione prossimale del colon a 50-20 in quella distale, probabilmente in funzione del valore di pH che si trova nei diversi tratti. Si tratta, ovviamente di una stima che tiene conto di tutte le variabili, tra cui quantità di substrato, tipologia e, come sempre, tipologia di batteri presenti.

I Clostridi (batteri  anaerobi obbligati, gram positivi, in grado di formare spore) ad esempio, sono tra i produttori di acetato, butirrato e gas ( CO2, H2S) quando attaccano sostanze organiche come carboidrati e aminoacidi. È inoltre importante la qualità del substrato per la fermentazione: porzioni di cibo non digeribili e, pertanto, non idrolizzabili a livello di stomaco e primo tratto dell’intestino, saranno più facilitate nel raggiungimento del colon. Da questo punto di vista i carboidrati giocano, a livello quantitativo, il ruolo più importante nella formazione di acidi grassi. Di quali carboidrati stiamo parlando? Si tratta prevalentemente di amido cosiddetto “resistente” (all’idrolisi), fibre, solubili e insolubili, e alcuni tipi di oligosaccaridi che risultano più difficilmente attaccabili dai classici processi di scissione idrolitica. Generalmente il metabolismo batterico trasforma tali substrati degradandoli a unità più semplici e, una volta ridotti a monosaccaridi, attua le classiche vie come la glicolisi o la via dei pentosi per formare il fosfoenol-piruvato (PEP). A questo punto gli scenari possibili sono diversi: la trasformazione del piruvato ad acidi grassi può seguire vie metaboliche differenti che vedono la collaborazione e la regolazione reciproca delle specie batteriche coinvolte.

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Nella maggior parte dei casi si tratta di processi di riduzione che si susseguono fino alla formazione di substrati via via più semplici, accompagnati dall’ossidazione di coenzimi come NAD+/NADH o ferrodossina ossidoreduttasi (1-2a-2b). Ad esempio, la formazione di propionato può avvenire grazie ad una catena di trasporto di elettroni in ambiente anaerobico, passando attraverso ossalacetato, fumarato, succinato e metilmalonato: quest’ultimo, grazie all’anidride carbonica prodotta dall’organismo ospite, può ritrasformarsi in ossalacetato per dare nuovamente origine al processo. Alternativamente, può essere seguito un processo di due successive reazioni in cui il piruvato è prima ridotto a lattato e in seguito ad acrilato, con ossidazione di NADH a NAD+.

La formazione di acetato a partire dal PEP, invece, prevede che il piruvato venga trasformato in AcetilCoA, con contemporanea formazione di anidride carbonica e metano e, successivamente, questo venga scisso per dare origine ad acetato e CoA.

La via di formazione del butirrato prevede, a sua volta, una lunga serie di step in cui si verifica una condensazione fra due molecole di acetilCoA per opera dell’enzima butirrato-chinasi o utilizzando acetato derivato da fonti esogene mediante azione dell’enzima butirril-CoA e acetato-CoA-transferasi. Affinchè vi sia produzione di SCFAs, è importante che la popolazione microbica lavori in stretta collaborazione, ma che vi sia un coordinamento anche con i processi metabolici dell’organismo ospite, il nostro. L’idrogeno gassoso (H2) che si forma durante la produzione di acetato, ad esempio, deve essere utilizzato dai batteri al fine di evitarne l’accumulo, che potrebbe portare ad una inibizione dell’abilità dei primi substrati di ossidare il NADH. A sua volta, la CO2 richiesta nella catena di trasporto elettronica per ripristinare uno dei primi substrati deve essere in parte fornita dall’organismo.

Dato che la maggior parte dei SCFAs è assorbita dall’organismo nel lume intestinale in uno scambio con ioni bicarbonato, il pH risulta influenzato dalla produzione microbica di tali specie; poiché la loro concentrazione diminuisce dal tratto prossimale a quello distale del colon, il pH tende, invece ad aumentare, in quanto diminuisce l’acidità dovuta agli ioni H+ derivanti dalla formazione di acidi grassi e aumenta l’influenza del bicarbonato. Nel tratto precedente, invece, la concentrazione di SCFAs è maggiore e i valori di pH risultano più bassi, con la conseguenza  che influenzano la vitalità popolazione microbica, in cui sono presenti anche specie patogene sensibili a tali condizioni di acidità, come le Enterobatteriacee (batteri  Gram-negativi, asporigeni., mobili o immobili, quasi tutti provvisti di pili e aerobi-anaerobi facoltativi) e i Clostridi. Ad esempio, quando il pH raggiunge valori attorno a 6.5, i batteri che producono butirrati tendenzialmente scompaiono, mentre quelli che producono acetati e propionati diventano dominanti. Il destino cui vanno incontro i SCFAs una volta prodotti può seguire diverse vie: a) una piccola parte di essi, che si attesta su circa il 10%, viene utilizzata come fonte di energia dalle cellule; b) un’altra parte viene portata tramite il circolo sanguigno nei vari comparti dell’organismo, dove sono presenti recettori specifici per tali specie che mediano processi coinvolti nel controllo del metabolismo dei grassi corporei, colesterolo compreso. Va da sé che livelli più o meno elevati di tali specie prodotte dalla nostra componente microbica possono giocare un importante ruolo nei meccanismi di insorgenza delle malattie metaboliche correlate alla quantità di lipidi, come l’obesità e le malattie cardiovascolari.

Colina e derivati

A questo proposito, un’altra importante sostanza, considerata all’unanimità un nutriente fondamentale, è stata ultimamente molto studiata dal punto di vista delle modificazioni indotte dal microbiota. Si tratta della colina, piccola molecola che riveste un ruolo cruciale fin dalle prime fasi della nostra vita, quando ancora siamo embrioni. Bassi livelli di colina sono stati infatti associati a difetti della nascita, ragion per cui viene ritenuta essenziale per la nostra salute anche nell’alimentazione materna in gravidanza. Che ruolo svolge e perché è così importante? Si tratta di uno dei componenti principali delle membrane cellulari, la fosfatidilcolina, un fosfolipide. Ma non solo: è anche precursore dell’aceticolina, importantissimo neurotrasmettitore coinvolto nella trasmissione del segnale nei processi motori involontari e, soprattutto, in quelli cognitivi. La malattia di Alzheimer, che comporta una grave perdita della memoria, è causata proprio da una ridotta quantità di tale sostanza nello spazio sinaptico. I fattori in gioco nella regolazione dei livelli di colina sono tanti: genetici, epigenetici e metabolici.

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Trasformazione della colina

Ultimamente è stata indagata anche la funzionalità del microbiota per capire se ci fosse qualche correlazione tra la sua attività e i livelli di colina presenti nell’organismo. In effetti, un ruolo lo possiede eccome. Infatti, è stata riscontrata, sia nell’uomo che in animale, un’attività di degradazione della colina a trimetilammina ad opera dei microbi intestinali; questa, a sua volta, viene trasformata dalla flavin-monoossigenasi 3 in trimetilammina-N-ossido, una sostanza riconosciuta attualmente come marker di rischio per le malattie cardiovascolari. Sono state identificate specie batteriche in grado di attuare questa trasformazione mediante studi in vitro, con il risultato che più le specie sono in grado di convertire la colina in TMA più alti sono i livelli di TMAO. Anche in questo caso la composizione della popolazione microbica può fare davvero la differenza nella regolazione dei livelli di colina, disponibili per le varie funzioni biologiche, e di TMAO come marker.

Vitamine: una risorsa fondamentale

Le vitamine sono micronutrienti estremamente importanti per tutte quelle reazioni chimiche che permettono alla cellula di sopravvivere. Non solo. Offrono una importantissima opportunità nel mantenere in salute il nostro sistema immunitario, rafforzandolo e rendendolo efficiente nel contrastare ciò che per il nostro organismo rappresenta una minaccia. Noi umani siamo, purtroppo, incapaci di sintetizzare autonomamente la maggior parte delle vitamine a noi necessarie, motivo per cui dobbiamo assumerle dal fonti esogene, come il cibo di cui ci nutriamo quotidianamente. Vegetali e cereali sono sicuramente i più ricchi, in termini di tipologie e quantitativi di vitamine contenuti, ma anche carne, pesce e derivati ne possiedono discrete quantità. E, per fortuna, anche in questo caso abbiamo un valido aiuto dall’interno.

Come abbiamo già visto, la flotta del nostro microbiota ha un ruolo fondamentale nella digestione del cibo e nel recupero di energia, e può inoltre fungere da “fornitore” di vitamine. Come? È stato già ampiamente dimostrato che alcune specie microbiche sono in grado di produrre la vitamina K e altre vitamine idrosolubili della famiglia B, come la biotina, cobalamina, i folati, riboflavina e altre. Inoltre, rispetto alle vitamine introdotte con la dieta, solitamente assorbite nel tratto prossimale dell’intestino, l’assorbimento più rilevante di quelle prodotte dal microbiota avviene a livello del colon. Fra le numerose tipologie di batteri impegnati nelle attività di conversione a livello intestinale, il Bifidobacterium, che conta al momento ben 39 specie diverse, e il Lactobacillus, sono i generi sicuramente più rilevanti nella biosintesi delle vitamine e nella trasformazione di componenti della dieta in molecole bioattive. Come già accennato in precedenza, la popolazione microbica inizia a costruire la propria identità fin dalla nascita e, in maniera consistente, durante l’allattamento. Oltre a nutrienti e micronutrienti, infatti, il latte materno permette al neonato di acquisire un corredo batterico che inizierà piano piano a sintetizzare le molecole necessarie a fortificare il sistema immunitario, anch’esso in fase di “educazione” rispetto all’ambiente esterno. Una maggiore predisposizione alla insorgenza di patologie legate ad una debolezza del sistema immunitario è stata collegata ad un deficit vitaminico possibile non solo a causa di malassorbimento ma anche all’anagrafica della popolazione microbica presente nel tratto intestinale e al suo imprinting nella fase di crescita. Alla luce di ciò, è stato possibile individuare quali sono le specie più attive nella produzione di vitamine della famiglia B, grazie all’analisi dei metaboliti escreti e all’analisi del genoma delle differenti specie studiate. Ci sono sempre più evidenze legate al fatto che bassi livelli di alcune vitamine possono portare ad un maggiore rischio di malattie degenerative, come ad esempio, la sclerosi multipla. Allo stesso tempo, la presenza di alcuni ceppi batterici influenza la biosintesi di vitamine, ma può essere essa stessa modulata dai livelli di vitamine presenti.

Analoghi e derivati della vitamina B12 appartenenti alla famiglia dei corrinoidi.

Analoghi e derivati della vitamina B12 appartenenti alla famiglia dei corrinoidi.

Un caso interessante, a questo proposito, riguarda la cianocobalamina, meglio conosciuta come vitamina B12. Prodotta da batteri e alghe, non è in grado di essere formata, invece, dal nostro organismo mediante i normali processi biochimici. I nostri livelli di tale vitamina vengono assicurati dall’introduzione di cibi di derivazione animale, motivo per cui negli individui che seguono una dieta vegetariana se ne riscontrano spesso bassi quantitativi. Può essere d’aiuto, in questo caso, oltre ad una integrazione alimentare, l’attività della popolazione microbica intestinale, in grado di fornire livelli discreti di B12 mediante i propri processi biosintetici. Almeno così si pensava fino a poco tempo fa, quando si è iniziato a capire che forse le cose non sono così semplici. Le motivazioni sono diverse e, fra queste, una delle più rilevanti è data dal fatto che alcuni tipi di batteri sono in grado di produrre sostanze simili alla cobalamina, ma non la cobalamina stessa. Questo perché essa fa parte di una famiglia di molecole chiamate corrinoidi che condividono lo stesso scaffold molecolare ma si differenziano per alcuni sostituenti. Risultato: non tutti questi composti sono utilizzabili dal nostro organismo e risultano per noi superflui. La seconda motivazione riguarda un bisogno che condividiamo con i batteri, cioè che entrambi necessitiamo di vitamina B12 per il corretto espletamento delle nostre funzioni cellulari, pertanto ci troviamo a competere per l’approvvigionamento sottraendoci a vicenda il bottino. Questo, insieme ad una scarsa introduzione di cobalamina esogena, può comportare nel tempo una selezione di quei ceppi batterici che necessitano maggiormente di essa, con una conseguente modellazione della popolazione microbica interna. Su questo processo influiscono, ovviamente, anche fattori genetici nonché il tipo di dieta cui il nostro corpo è abituato, ma ancora non sono stati elucidati del tutto i meccanismi di regolazione.

Neuromediatori

Conversione del precursore triptofano nel neuromediatore serotonina.

Conversione del precursore triptofano nel neuromediatore serotonina.

Come menzionato sopra, una alterata attività del microbiota sia alla base anche dell’insorgenza di alcuni disordini a livello del sistema nervoso centrale, in particolar modo di situazioni cliniche causate da uno squilibrio nelle concentrazioni di neuromediatori come l’acido gamma-amminobutirrico (GABA) e la serotonina. Una diminuzione nelle quantità circolanti di queste sostanze è stata associata a fenomeni di depressione e ansia. D’altra parte, è stato osservato che un aumento nell’attività della componente microbica può invece portare ad una maggiore quantità di neuromediatori in circolo e che, ad esempio, alcuni ceppi di Lactobacillous e di Bifidobatteri sono in grado di produrre GABA attraverso la stessa via biosintetica operata dai tessuti neuronali, che coinvolge la conversione del glutammato monosodico ad opera dell’enzima glutammato decarbossilasi e la vitamina piridossalfosfato. Parallelamente si è osservata una abilità, da parte degli stessi ceppi, di influenzare il metabolismo del triptofano, molecola precursore della serotonina, nota per la sua attività antidepressiva. Questo effetto sembra mediato dal ruolo del microbiota sull’espressione di un enzima, la indoleamina-2,3-diossigenasi, fondamentale nella via metabolica del triptofano. Questo suggerisce un ruolo decisivo della popolazione microbica intestinale, lasciando presupporre come una mirata integrazione di determinati ceppi batterici possa portare ad un ripristino nelle concentrazioni di alcuni neuromediatori con conseguenze positive sul quadro clinico di pazienti affetti da ansia e depressione.

Metabolismo di farmaci

Potremmo parlare di tanti altri casi in cui il microbiota può spostare l’ago della bilancia decidendo le sorti della nostra vita. Uno dei più interessanti, su cui la ricerca ha investito e continua a investire ingenti risorse per arrivare ad un maggior livello di comprensione, riguarda la trasformazione dei farmaci. Un obiettivo ambizioso, sicuramente, ma di vitale importanza da diversi punti di vista. In primis, perché i farmaci che assumiamo subiscono già un processo metabolico a livello epatico che, molto spesso, ne modula l’efficacia sulla base di polimorfismi genetici che ognuno di noi mostra. Non sarà difficile capire che, se a questo aggiungiamo le reazioni a carico del microbiota, le variabili in gioco aumentano in maniera consistente. D’altra parte, come secondo aspetto, possiamo considerare i risvolti a nostro favore. Il fatto che ogni individuo possegga una popolazione microbica con caratteristiche diverse può diventare un vantaggio per la progettazione di terapie ad hoc, concepite sulla base della specifiche espressioni del genoma microbico in termini di enzimi.

Per comprendere meglio questo concetto diamo prima uno sguardo a ciò che avviene nel nostro organismo quando assumiamo un medicinale. La maggior parte dei farmaci si presenta in forma orale, sono costituiti cioè da formulazioni che richiedono il passaggio attraverso il tubo digerente affinché il principio attivo venga assorbito, inizi a diffondersi attraverso il circolo sanguigno nel nostro corpo e raggiunga il proprio bersaglio. Uno dei punti decisivi in questo processo tutt’altro che breve, riguarda la trasformazione a livello epatico, che modifica in maniera talvolta sostanziale la struttura molecolare del principio attivo condizionandone, soprattutto, l’efficacia. In alcuni casi diminuendola, in altri aumentandola. Il sistema che sovrintende a questo processo è il citocromo P450, una numerosa famiglia di enzimi con una funzione mista ma nel complesso riconducibile alle ossidasi. Si occupano quindi di attuare processi di ossidazione per “detossificare” le sostanze estranee (anche chiamate xenobiotici) che entrano nel nostro corpo, rendendole più facili da eliminare mediante le classiche vie di escrezione.

citocromoCosa significa ossidare uno xenobiotico? Fra le reazioni catalizzate dal citocromo P450 troviamo, ad esempio, l’ossidrilazione, ovvero l’aggiunta di un gruppo –OH (ossidrile) a composti alifatici o aromatici, la formazione di epossidi e l’ossidazione di alcoli. Si tratta, in realtà di reazioni di ossidoriduzione, in cui le altre specie coinvolte sono NADP(H) o dal NADH attraverso altri attori proteici come la ferredossina, il citocromo b5 o la NADPH-emoproteina reduttasi, contenente FAD e FMN come gruppi prostetici. Questi processi hanno la capacità di rendere le specie introdotte maggiormente idrofile rispetto alla forma iniziale e, pertanto, più facilmente eliminabili. Una volta trasformati, i farmaci giungono nel tratto gastrointestinale e vengono assorbiti, con velocità, quantità e modalità diverse, per essere poi convogliati al circolo sanguigno. Una parte verrà portata effettivamente al target ed un’altra verrà eliminata con le urine. In realtà non è proprio così semplice. Recenti studi hanno mostrato che i farmaci somministrati oralmente sono metabolizzati, oltre che dagli enzimi epatici, anche da quelli microbici presenti nel tratto gastrointestinale. Questo, pertanto, aggiunge una variabile in più nell’esito della trasformazione di ciò che ingeriamo. Cosa si formerà? E, soprattutto, che effetto finale avrà? La domanda è lecita.

Le reazioni metaboliche effettuate dal microbiota sono decisamente diverse da quelle che avvengono, prima, a livello epatico. Mentre, infatti, il citocromo P450 produce molecole maggiormente idrofile mediante processi ossidativi e coniugativi, i batteri generano prodotti con caratteristiche di maggiore idrofobicità mediante processi metabolici riduttivi e idrolitici. Tutto questo avviene, ovviamente, in funzione delle concentrazioni di farmaco che raggiungono la porzione distale, dove si trova il microbiota, ma anche dalla tipologia di popolazione. Non tutti i batteri esprimono gli stessi enzimi, pertanto il metabolismo a carico degli xenobiotici potrebbe mostrare differenze sostanziali fra un individuo e l’altro e momenti diversi della vita degli stessi. Anche il tempo in cui i farmaci rimangono in contatto con i batteri gioca un ruolo importante. Alcuni di essi vengono assorbiti velocemente e completamente nella parte superiore dell’intestino, pertanto non riescono a subire modificazioni sostanziali; altri invece vengono trasformati in metaboliti che possono risultare ancora attivi, inattivi o, ancor peggio, tossici. È evidente, quindi, che il ruolo del microbiota è tutt’altro che ininfluente. Vi sono, ad esempio, alcuni farmaci idrofili non facilmente digeribili in presenza di succhi gastrici e che passano attraverso il tratto intestinale superiore raggiungendo poi quello inferiore dove risiedono, appunto, i batteri. Questi operano una trasformazione che rende le strutture maggiormente idrofobe, permettendo loro di esercitare il proprio effetto in seguito all’assorbimento nel circolo sanguigno.

Se analizziamo le principali tipologie di reazioni che avvengono ad opera del microbiota sugli xenobiotici, possiamo notare come si tratti prevalentemente di azo, nitro, S-ossido e N-ossido riduzioni, deglicosilazioni, deidrossilazioni e clivaggio di anelli aromatici. Non risulta difficile notare come il risultato di tali processi sia esattamente opposto a quanto avviene a livello epatico. A seconda del substrato in esame, tali processi possono portare ad un metabolita inattivo, attivo e/o tossico. Il clonazepam, ad esempio, una benzodiazepina usata come ansiolitico, in seguito a nitro-riduzione, viene trasformata in 7-amminoclonazepam, un metabolita tossico; il nitrazepam, appartenente alla stessa categoria, se sottoposto allo stesso processo dà origine a 7-amminonitrazepam, una struttura che mantiene la sua attività farmacologica e rappresenta un metabolita con attività teratogena. Nizatidina e ranitidina, due molecole usate nella cura dell’ulcera peptica, subiscono ad opera dei batteri una N-ossido riduzione che le trasforma in idrossi-imminonizatidina e idrossi-imminoranitidina rispettivamente, due metaboliti inattivi. La flucitosina, invece, in seguito a deamminazione, operata da una deaminasi, dà origine a 5-fluorouracile, metabolita attivo che svolge un’azione antifunginea.

Trasformazione di farmaci ad opera di specie batteriche.

Trasformazione di farmaci ad opera di specie batteriche.

Come possiamo sfruttare questo fenomeno a nostro vantaggio? Se è vero che il microbiota può influire negativamente nel metabolismo dei farmaci, dei cibi o in generale degli xenobiotici che assumiamo, è anche vero che questo può risultare un valido aiuto nel momento in cui vogliamo assicurarci che il nostro organismo produca maggiori o minori quantità di una determinata sostanza. È il motivo per cui, ad esempio, conoscere la tipologia di popolazione microbica che alberga nel nostro intestino può dirci qualcosa in più sul successo che un certo farmaco avrà su di noi in una determinata terapia; oppure può essere di aiuto una integrazione specifica di determinati ceppi batterici (probiotici) per favorire la produzione di sostanze che sono ritenute benefiche per il nostro organismo in un determinato momento della nostra vita. Situazioni stressorie come una errata alimentazione, l’assunzione di antibiotici o problematiche legate a patologie del sistema digerente possono portare ad una alterazione nei normali processi metabolici visti sopra; riequilibrare il microbiota favorendo alcune specie rispetto ad altre può di per sé rappresentare già un valido aiuto ai fini del mantenimento della salute.

gutAbituarci a considerare la popolazione microbica che abita il nostro organismo come un valido collaboratore nelle “faccende domestiche” quotidiane, ci aiuta a mantenere un occhio di riguardo nei confronti di tutti quei processi che, oltre a minare la nostra salute, possono minare anche la sua. Dopotutto, come oramai è dato per certo, si tratta, nel complesso, di un vero e proprio organo.

 

Bibliografia

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Una risposta a Soli o ben accompagnati? La avventure chimiche del microbioma

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