Ανακαλύψεις για τον κρυφό κινητήρα υδρογόνου του εντέρου και η επίδρασή του στη νόσο του Crohn
Μια διεθνής ερευνητική ομάδα έχει εντοπίσει το ένζυμο που υποστηρίζει την παραγωγή υδρογόνου στα υγιή έντερα και έχει δείξει πώς η εξάντλησή του επηρεάζει τα μικροβιακά ενεργειακά δίκτυα στη νόσο του Crohn, αναμορφώνοντας την κατανόησή μας για τον μεταβολισμό του εντέρου.
Σύμφωνα με μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Microbiology, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια πολυδιάστατη προσέγγιση που συνδυάζει γονιδιωματικές, μεταγραφωματικές και βιοχημικές αναλύσεις για να προσδιορίσουν τον κύριο παράγοντα παραγωγής μοριακού υδρογόνου (H₂) σε υγιείς ανθρώπους. Ο κύκλος του μοριακού H₂ είναι μια ζωτικής σημασίας μεταβολική διαδικασία στο ανθρώπινο έντερο, αλλά οι συγκεκριμένοι μικροοργανισμοί και τα ένζυμα που ευθύνονται γι’ αυτό παραμένουν ασαφή.
Η σημασία του μοριακού υδρογόνου
Δεκαετίες ερευνών έχουν αποδείξει ότι το ανθρώπινο μικροβίωμα του εντέρου λειτουργεί ως μια πολυάσχολη μεταβολική μονάδα, αποτελούμενη από τρισεκατομμύρια μικρόβια που ζυμώνουν τους καταναλωθέντες υδατάνθρακες. Αυτή η διαδικασία οδηγεί στην παραγωγή ενέργειας, ευεργετικών λιπαρών οξέων και μεγάλων ποσοτήτων αερίων, συμπεριλαμβανομένου του μοριακού υδρογόνου (H₂).
Παραδοσιακά θεωρούμενο ως απλό παραπροϊόν, οι πιο πρόσφατες έρευνες έχουν αποκαλύψει ότι το μοριακό H₂ είναι μια κρίσιμη πηγή τροφής για άλλους μικροοργανισμούς (γνωστοί ως “υδρογονοτροφείς”), καθιστώντας τη ζύμωση θερμοδυναμικά πιο ευνοϊκή. Η δυσβίωση ή οι ανισορροπίες στην παραγωγή και κατανάλωση H₂ σχετίζονται όλο και περισσότερο με σοβαρές υγειονομικές καταστάσεις, από τη συσσώρευση αερίων στο σύνδρομο ευερέθιστου εντέρου (IBS) έως λοιμώξεις και ακόμη και γαστρεντερικούς καρκίνους.
Στρατηγική της μελέτης
Η παρούσα μελέτη αποσκοπεί στην κάλυψη αυτού του κενού γνώσης και στην ενημέρωση μελλοντικών ερευνών και γαστρεντερικών παρεμβάσεων, χρησιμοποιώντας μια πολυδιάστατη προσέγγιση για να αποσαφηνίσει τους μικροοργανισμούς και τα ένζυμα που εμπλέκονται στην παραγωγή H₂ από το οικοσύστημα μέχρι το επίπεδο του μεμονωμένου ενζύμου. Η μελέτη περιλάμβανε πολλές διαδοχικές διαδικασίες: αρχικά, πραγματοποιήθηκε μια εκτενής υπολογιστική ανάλυση 300 κοπράνων και 78 μεταγραφωμάτων για να αποκαλυφθεί το πλήρες φάσμα των γονιδίων που σχετίζονται με το υδρογόνο που είναι παρόντα και ενεργά στο υγιές ανθρώπινο έντερο.
Τα ευρήματα αυτά επικυρώθηκαν χρησιμοποιώντας 102 βιοψίες από 42 δότες. Επιπλέον, οι αναλύσεις επικεντρώθηκαν σε δείγματα από το τερματικό ειλεό, τον τυφλό και το ορθό για να επιβεβαιώσουν τη συνέπεια σε διάφορες περιοχές του εντέρου. Στη συνέχεια, για να αποδειχθεί ότι αυτά τα γονίδια ήταν λειτουργικά, η μελέτη επέλεξε 19 διαφορετικά βακτήρια από το ανθρώπινο έντερο και τα καλλιέργησε σε αναερόβιες (χωρίς οξυγόνο) συνθήκες για να προσομοιώσει τις συνθήκες του εντέρου.
Τέλος, βιοχημικές δοκιμές (σε εκχυλίσματα βακτηρίων) πραγματοποιήθηκαν για να αποκαλύψουν τη σύνδεση μεταξύ της παραγωγής H₂ και της αντίδρασης πυροσταφυλικής:φερρεδοξίνης οξειδάσης (PFOR), που είναι βασικό μέρος της ζύμωσης. Συγκεκριμένα, προστέθηκαν υποστρώματα PFOR (πυροσταφυλικό και CoA) και αναστολείς για να δουν πώς αντέδρασαν τα επίπεδα H₂, υποστηριζόμενα από μοντελοποίηση AlphaFold2, ετερολογική έκφραση και αποδεικτικά στοιχεία φασματοσκοπίας/EPR που επικύρωσαν τη λειτουργία του ενζύμου.
Τα ευρήματα της μελέτης αποκάλυψαν, για πρώτη φορά, ότι το ένζυμο ομάδας B [FeFe]-υδρογονάσης ήταν, κατά πολύ, το πιο κυρίαρχο γονίδιο παραγωγής υδρογόνου στο υγιές ανθρώπινο έντερο. Οι εκτιμήσεις αφθονίας έδειξαν ότι τα γονίδια ομάδας B ήταν κατά μέσο όρο 0.75 ± 0.25 αντίγραφα ανά γονιδίωμα, περίπου 7.5 φορές πιο άφθονα από το ένζυμο ομάδας A1 (0.10 ± 0.09 αντίγραφα), το οποίο προηγουμένως θεωρείτο ο κύριος παραγωγός H₂.
