Bifidobakterie – strażnicy homeostazy

Bifidobakterie to gram-dodatnie, heterofermentatywne, pozbawione zdolności motorycznych i nie tworzące przetrwalników pałeczkowate bakterie. Ze względu na cechy metaboliczne zalicza się je do LAB, czyli bakterii kwasu mlekowego, mimo iż ewolucyjnie odbiegają do typowych laktobacillusów[1]. Bifidobakterie charakteryzuje wysoka zawartość par nukleotydów GC w DNA, co przekłada się na wysoką stabilność genetyczną tych mikroorganizmów.

Gdzie żyją bifidobakterie?

Początek rozwoju wiedzy na temat bifidobakterii przypada na rok 1899, kiedy Henry Tissier po raz pierwszy wyizolował je z odchodów niemowlęcia karmionego mlekiem matki. Obecnie rząd bifidobakterii liczy sobie 82 gatunki i 12 podgatunków. Poszczególne gatunki zamieszkują układy pokarmowe ludzi oraz innych stadnie żyjących zwierząt, od ssaków po owady. Ponadto wyizolowano je z ludzkiej krwi, matczynego mleka, płytki nazębnej, sfermentowanego mleka oraz ze ścieków. Do niedawna sądzono, że ewolucja poszczególnych gatunków bifidobakterii jest ściśle związana z organizmem żywiciela, a ich zdolności adaptacyjne są szczepozależne. Sądzono, iż B. longum, B. adolescentis, B. pseudolongum oraz B. bifidum wiodą żywot kosmopolityczny, podczas gdy inne związane są ściśle z układem pokarmowym zwierząt lub ludzi[2]. Dziś wiemy, że tak nie jest i nawet B. breve uważany za ścisły symbiont człowieka jest izolowany od różnych zwierząt domowych[3], a gatunki wcześnie ściśle wiązane z pszczołami potrafią przeżyć w jelitach mięsożerców . Obserwowany wzrost rozprzestrzeniania się bifidobakterii wiązanych z człowiekiem przypisywany jest antropopresji, czyli oddziaływaniu człowieka na środowisko. Z pewnością jednak równie istotnym czynnikiem są możliwości metaboliczne opisywanych mikroorganizmów. Bifidobakterie to organizmy sacharolityczne, czyli czerpiące węgiel i energię z najrozmaitszych węglowodanów. Ich wyposażenie enzymatyczne jest na tyle bogate, iż potrafią rozkładać węglowodany pochodzenia roślinnego, jak i te produkowane przez organizm żywiciela. W przypadku człowieka, oznacza to umiejętność korzystania ze złożonych cukrów zawartych w kobiecym mleku oraz cukrów zawartych w mucynie, wydzielanej przez komórki nabłonka jelitowego.

Jakie gatunki bifidobakterii związane są z człowiekiem?

Bifidobakterie zalicza się do tak zwanych wczesnych kolonizatorów, którzy dominują w jelitach noworodków. Ich pozycja jest pochodną dwóch ewolucyjnie ukształtowanych mechanizmów: pionowego transferu mikroorgaznizmów z organizmu matki do organizmu potomstwa, w trakcie porodu i karmienia piersią oraz obecności specyficznych, niejako dedykowanych bifidobakteriom węglowodanów w kobiecym mleku. W tym wczesnym okresie w jelitach noworodków obecne są następujące gatunki bifidobakterii: B. breve, B. longum subsp. infantis, B. longum subsp. longum, B. pseudocatenulatum oraz B. bifidum[4]. Co ciekawe, z wiekiem liczba oraz skład gatunkowy bifidobakterii ulega zmianie. W odchodach osób dorosłych najczęściej oznaczane są gatunki: B. adolescentis, B. catenulatum, B. pseudocatenulatum, i B. longum subsp. Longum[5]. W tym wypadku należy wprowadzić zastrzeżenie, iż odchody nie są do końca wiarygodną informacją na temat stałych mieszkańców jelit, ponieważ zawierają także mikroorganizmy wprowadzane z jedzeniem. Wracając do tematu zróżnicowania gatunkowego bifidobacterii związanego z wiekiem, na podstawie analiz genetycznych ustalono, iż wynika ono z mechanizmów ewolucyjnych. Gatunki zamieszkujące jelita noworodków przystosowały się do swoistej niszy ekologicznej, w której występuje wysoka zawartość specyficznych cukrów wchodzących w skład mleka matki oraz śluzu jelitowego bogatego w inny złożony węglowodan – mucynę. Tymczasem bifidobakterie zamieszkujące jelita ludzi dorosłych przystosowały się do rozkładania cukrów złożonych (glikanów) pochodzenia roślinnego, takich jak skrobia i jej pochodne.

Co nam daje obecność bifidobacterii?

Uprzywilejowana ewolucyjnie pozycja bifidobakterii jako organizmów symbiotycznych wobec człowieka nie wzięła się znikąd. Badacze mikrobioty przypisują omawianej grupie bakterii szereg prozdrowotnych funkcji[6]. Przede wszystkim mikroorganizmy te odgrywają kluczową rolę w rozwoju układu immunologicznego[7]. Nie mniej ważne jest ich przeciwdziałanie inwazji patogenów przy wykorzystaniu mechanizmu wykluczenia konkurencyjnego. Ponadto bifidobakterie to producenci krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (SCAFA) oraz witamin z grupy B, z kwasem foliowym włącznie. Temat wspomnianych SCAFA, ze względu na swą rolę w homeostazie układów pokarmowego i odpornościowego, wymaga dłuższego omówienia. Krótkołańcuchowe sole kwasów tłuszczowych to w istocie produkty uboczne bakteryjnej fermentacji złożonych węglowodanów. W przypadku komensali żyjących w jelitach człowieka wśród produkowanych soli dominują: octany, propioniany i maślany. W niewielkich ilościach produkowane są również mrówczany i waleriany, jednak ich znaczenia nie zostało w pełni zrozumiane. Lista zalet czy też funkcji, jakie pełnią omawiane sole, jest bardzo długa i rozwija się wraz z wiedzą na temat mikrobioty. SCAFA odgrywają istotną rolę we wchłanianiu wapnia, żelaza i magnezu. Ponadto odżywiają kolonocyty i stabilizują układ immunologiczny. Funkcję odżywczą pełnią maślany, które nie są bezpośrednim produktem bifidobakterii[8]. Mamy w tym wypadku do czynienia z tzw. odżywianiem krzyżowym. Octan produkowany przez bifodobakterie jest konsumowany przez inne bakterie nazywane butyrogennymi, takie jak Faecalibacterium prausnitzii[9]. Wytwarzany dwuetapowo maślan, stanowi podstawowe źródło energii dla komórek nabłonka jelitowego i pozytywnie wpływa na ich replikację[10]. Bifidobakterie zawierają wiele tego typu sojuszów żywieniowych, zarówno między bliskim krewniakami jak i pozostałymi mieszkańcami jelit. Przykładem pierwszego typu jest współpraca B. bifidum i B. breve w jelitach niemowlaków[11]. W układzie pokarmowym dorosłych ludzi obserwuje się z kolei odżywianie krzyżowe B. longum z innym producentem maślanów, Eubacterium ractale[12]. Zdolności enzymatyczne bifidobakterii pozwalające im na korzystanie z niezwykle szerokiej puli glikanów pozycjonują te mikroorganizmy w roli kluczowego „organizatora” odżywiania całej społeczności mikroboty jelitowej. Wracając do SCAFA warto podkreślić rolę innego związku z tej rodziny, a mianowicie propionianu. Sole te są absorbowane przez komórki wątroby i wpływają korzystnie na gospodarkę lipidową, w szczególności hamują proces glukogenezy oraz syntezę cholesterolu w wątrobie[13]. Ponadto jak wszystkie związki z grupy SCAFA mają działanie przeciwzapalne i ochronne względem patogenów jelitowych, obniżając pH i stymulując mikroflorę saprofityczną[14].

Co potrafią bifidobacterie?

W toku procesu ewolucji bifidobakterie wykształciły szereg mechanizmów pozwalających im na interakcje z komórkami swojego ludzkiego żywiciela. W tym celu wykorzystują różnego typu cząsteczki uwalniane na zewnątrz własnej komórki. Są to między innymi specjalne białkowe wypustki w postaci włosków, o długości 2 mikrometrów, rozmieszczone na całej powierzchni zewnętrznej bakterii. Wypustki te określa się mianem fimbri lub pilusów. Na jednej komórce bakteryjnej może być ich nawet 300. Ustalono, że bifidobakterie produkują pilusy w określonych warunkach, kiedy są im potrzebne. Badaczom udało się zaobserwować i scharakteryzować dwa strukturalnie i funkcjonalnie odmienne typy fimbri na powierzchni komórek poszczególnych szczepów bifidobakterii. W ostatnim czasie pojawiły się doniesienia o trzeciej tego typu strukturze zaobserwowanej u B. adolescentis[15]. Zdolności do wytwarzania fimbrii nie są udziałem wszystkich gatunków bifodobakterii. Np. B. actinocoloniiforme, B. longum subsp. infantis i B. longum subsp. longum nie są genetycznie przygotowane do produkcji pilusów z białek zależnych od sortazy. Z kolei inny gatunek – B. dentium wyposażony jest w rekordowo szeroki wachlarz genów, które taką produkcję umożliwiają. Co to oznacza w praktyce, a dokładnie w życiu bakterii? Pilusy odgrywają kluczową rolę w procesie kolonizacji powierzchni jelita. Ułatwiają bakteriom przywieranie do komórek gospodarza i łączenie się z innymi bakteriami w procesie tworzenia biofilmu oraz kontrolę reakcji komórek układu odpornościowego[16]. Inną grupą cząsteczek w arsenale bifidobakterii są serpiny, czyli inhibitory proteaz serynowych. Serpiny chronią bakterie przed działaniem proteaz – enzymów trawiennych rozkładających białka, wytwarzanych w układzie pokarmowym człowieka. Precyzyjnie rzecz ujmując, serpiny chronią omówione powyżej białkowe fimbrie oraz enzymy, które bakterie wykorzystują do trawienia glikanów w procesie odżywiania. Trawienie glikanów przebiega bowiem częściowo na zewnątrz komórki bakteryjnej. Do wnętrza bakterii dostają się już odpowiednio pocięte fragmenty złożonych cząsteczek. Co ciekawe, jedynie niektóre gatunki bifidobakterii posiadają wyposażenie genetyczne umożliwiające syntezę serpin. Są to B. longum subsp. longum, B. longum subsp. infantis i B. breve[17]. Pozostałe bakterie korzystają z gościnnej ochrony krewniaków lub alternatywnych strategii obronnych.

Na tym jednak nie wyczerpuje się potencjał adaptacyjny omawianych mikroorganizmów. Przewagę zapewnia im także zdolność syntezy EPS. Są to złożone polimery sacharydowe zbudowane z cząsteczek cukrów połączonych ze sobą silnym wiązaniem glikozydowym, podobnie jak celuloza w pniach drzew. Struktury te mogą przyjmować rozmaite przestrzenne kształty i w związku z tym pełnić różne funkcje. Obecny stan wiedzy wykazuje, że ich rola polega przede wszystkim na ograniczaniu prozapalnych reakcji ludzkiego organizmu, co zapobiega rozwojowi nieswoistych chorób zapalnych jelit, zaliczanych do IBD. Polimery EPS pozwalają ponadto na różnego typu interakcje w obszarze mikrobioty, wpływając na jej skład i aktywność metaboliczną, czasem stając się źródłem energii dla współegzystujących mikroorganizmów[18], a innym razem pancerzem chroniącym przed patogenami. Zdolności do syntezowanie EPS są powszechne wśród bifidobakterii. Dotąd ustalono, że jedynie gatunek B. bifidum nie wytwarza EPS[19].

Jak się odżywiają bifidobakterie?

Warto na moment wrócić do tematu wykwintnego gustu kulinarnego bifidobakterii. Dość powiedzieć, że większa część kodu genetycznego tych mikroorganizmów zawiera informacje związane z syntezą białek oraz enzymów powiązanych z rozkładem złożonych glikanów. Cukry proste, takie jak laktoza czy sacharoza są metabolizowane przez organizm człowieka lub mikroorganizmy zamieszkujące górny odcinek przewodu pokarmowego. Do jelita grubego trafiają więc jedynie bardzo złożone cząsteczki, takie jak: celuloza, fruktany, pektyny, ksylany czy skrobia oporna. Pierwszym wyzwaniem jest enzymatyczne rozerwanie wiązań glikozydowych, które odbywa się na zewnątrz komórki bakteryjnej. Następnie enzymatyczna depolimeryzacja umożliwia pocięcie polimerów na mniejsze jednostki węglowodanowe, które są aktywnie transportowane do wnętrza komórki bakteryjnej i poddawane dalszej obróbce w cytoplazmie wewnątrz komórki. Dopiero monocukry sprzężone z fosforanami są substratem do zasadniczej reakcji metabolicznej  bifodobakterii zwanej „bifi shunt”, w wyniku której powstaje 2,5 cząsteczki wysokoenergetycznego ATP oraz 1 mol mleczanu i 1,5 mola octanu w przeliczeniu na 1 mol glukozy[20]. Ten dość wyrafinowany sposób na życie zapewnia bohaterom niniejszego artykułu tak spektakularny sukces ewolucyjny, czyniąc zdrowie człowieka zależnym od tej współpracy. Sukces ten jest jeszcze bardziej widoczny na wczesnych etapie życia człowieka. We wcześniejszym fragmencie niniejszego artykułu wspomniane zostały gatunki bifidobakterii żyjące w jelitach noworodków karmionych mlekiem matki. Omawiając temat odżywiania warto podkreślić, iż nie wszystkie gatunki bifidobakterii zaliczane do wczesnych kolonizatorów potrafią przyswajać energię z pełnej gamy złożonych cukrów, produkowanych przez ludzkie gruczoły mleczne. W szczególności B. breve i B. longum subsp. longum potrafią rozkładać jedynie te mniej złożone HMO, a tym samy polegają na krewniakach, w kwestii wstępnej ich obróbki.

W tym miejscu można postawić kropkę, kończąc tę opowieść o zadziwiającej grupie mikroorganizmów, która doskonale rozgryzła temat ewolucji życia na ziemi i zapewniła sobie szczególne miejsce w życiu zwierząt. Temat nie został jednak wyczerpany i z pewnością znajdzie kontynuację w innych artykułach dostępnych na stronie Instytutu Mikrobiomiki.

Bibliografia:

[1] Klijn A, Mercenier A, Arigoni F. Lessons from the genomes of bifidobacteria. FEMS Microbiol Rev. 2005 Aug;29(3):491-509. doi: 10.1016/j.femsre.2005.04.010. PMID: 15939502.

[2] Alessandri, G.; Ossiprandi, M.C.; MacSharry, J.; van Sinderen, D.; Ventura, M. Bifidobacterial Dialogue With Its Human Host and Consequent Modulation of the Immune System. Front. Immunol. 2019, 10, 2348.

[3] Alessandri, G.; Milani, C.; Mancabelli, L.; Mangifesta, M.; Lugli, G.A.; Viappiani, A.; Duranti, S.; Turroni, F.; Ossiprandi, M.C.; van Sinderen, D.; et al. The impact of human-facilitated selection on the gut microbiota of domesticated mammals. FEMS Microbiol. Ecol. 2019, 95.

[4] Turroni, F.; Peano, C.; Pass, D.A.; Foroni, E.; Severgnini, M.; Claesson, M.J.; Kerr, C.; Hourihane, J.; Murray, D.; Fuligni, F.; et al. Diversity of bifidobacteria within the infant gut microbiota. PLoS. ONE 2012, 7, e36957.

[5] Ishikawa, E.; Matsuki, T.; Kubota, H.; Makino, H.; Sakai, T.; Oishi, K.; Kushiro, A.; Fujimoto, J.; Watanabe, K.; Watanuki, M.; et al. Ethnic diversity of gut microbiota: Species characterization of Bacteroides fragilis group and genus Bifidobacterium in healthy Belgian adults, and comparison with data from Japanese subjects. J. Biosci. Bioeng. 2013, 116, 265–270.

[6] Wong, C.B.; Odamaki, T.; Xiao, J.Z. Insights into the reason of Human-Residential Bifidobacteria (HRB) being the natural inhabitants of the human gut and their potential health-promoting benefits. FEMS Microbiol. Rev. 2020, 44, 369–385.

[7] Ruiz, L.; Delgado, S.; Ruas-Madiedo, P.; Sanchez, B.; Margolles, A. Bifidobacteria and Their Molecular Communication with the Immune System. Front. Microbiol. 2017, 8, 2345.

[8] Markowiak-Kopeć P, Śliżewska K. The Effect of Probiotics on the Production of Short-Chain Fatty Acids by Human Intestinal Microbiome. Nutrients. 2020 Apr 16;12(4):1107.

[9] Riviere, A.; Selak, M.; Lantin, D.; Leroy, F.; De Vuyst, L. Bifidobacteria and Butyrate-Producing Colon Bacteria: Importance and Strategies for Their Stimulation in the Human Gut. Front. Microbiol. 2016, 7, 979.

[10] Rios-Covian, D.; Ruas-Madiedo, P.; Margolles, A.; Gueimonde, M.; de Los Reyes-Gavilan, C.G.; Salazar, N. Intestinal Short Chain Fatty Acids and their Link with Diet and Human Health. Front. Microbiol. 2016, 7, 185.

[11] Egan, M.; O’Connell Motherway, M.; Ventura, M.; van Sinderen, D. Metabolism of sialic acid by Bifidobacterium breve UCC2003. Appl. Environ. Microbiol. 2014, 80, 4414–4426.

[12] Riviere, A.; Gagnon, M.;Weckx, S.; Roy, D.; De Vuyst, L. Mutual Cross-Feeding Interactions between Bifidobacterium longum subsp. longum NCC2705 and Eubacterium rectale ATCC 33656 Explain the Bifidogenic and Butyrogenic Effects of Arabinoxylan Oligosaccharides. Appl. Environ. Microbiol. 2015, 81, 7767–7781.

[13] Al-Lahham, S.H.; Peppelenbosch, M.P.; Roelofsen, H.; Vonk, R.J.; Venema, K. Biological e
ects of propionic acid in humans; metabolism, potential applications and underlying mechanisms. Biochim. Biophys. Acta 2010, 1801, 1175–1183.

[14] Havenaar, R. Intestinal health functions of colonic microbial metabolites: A review. Benef. Microbes 2011, 2, 103–114.

[15] Duranti S, Turroni F, Lugli GA, Milani C, Viappiani A, Mangifesta M, et al. Genomic characterization and transcriptional studies of the starch-utilizing strain Bifidobacterium adolescentis 22L. Appl Environ Microbiol 2014;80 (19):6080–90.

[16] Foroni, E.; Serafini, F.; Amidani, D.; Turroni, F.; He, F.; Bottacini, F.; O’Connell Motherway, M.; Viappiani, A.; Zhang, Z.; Rivetti, C.; et al. Genetic analysis and morphological identification of pilus-like structures in members of the genus Bifidobacterium. Microb. Cell Fact. 2011, 10 (Suppl. 1), S16.

[17] Turroni, F.; Foroni, E.; O’Connell Motherway, M.; Bottacini, F.; Giubellini, V.; Zomer, A.; Ferrarini, A.; Delledonne, M.; Zhang, Z.; van Sinderen, D.; et al. Characterization of the serpin-encoding gene of Bifidobacterium breve 210B. Appl. Environ. Microbiol. 2010, 76, 3206–3219.

[18] Salazar N, Gueimonde M, Hernandez-Barranco AM, Ruas-Madiedo P, de Los Reyes-Gavilan CG. Exopolysaccharides produced by intestinal Bifidobacterium strains act as fermentable substrates for human intestinal bacteria. Appl Environ Microbiol 2008;74(15):4737–45.

[19] Ferrario, C.; Milani, C.; Mancabelli, L.; Lugli, G.A.; Duranti, S.; Mangifesta, M.; Viappiani, A.; Turroni, F.; Margolles, A.; Ruas-Madiedo, P.; et al. Modulation of the eps-ome transcription of bifidobacteria through simulation of human intestinal environment. FEMS Microbiol. Ecol. 2016, 92, fiw056.

[20] Pokusaeva K, Fitzgerald GF, van Sinderen D. Carbohydrate metabolism in Bifidobacteria. Genes Nutr 2011;6(3):285–306.