Мікробна ферментація харчових білків 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].