что такое микробиомное питание
Микробиом, диеты и гологеном
Взаимодействие микробиома и диеты: концепция гологенома
Резюме
Все растения и животные, включая человека, являются голобионтами, состоящими из хозяина и различных микроорганизмов, называемых микробиомом или микробиотой. Концепция гологенома постулирует, что голобионт со своим гологеномом (суммой генов хозяина и микробиома) может функционировать как единое целое, действуя в консорциуме, и, следовательно, также как единица отбора в эволюции. Диета влияет на микробиом, увеличивая или уменьшая популяцию одних бактерий по сравнению с другими и вводя новые бактерии в микробиом. Такие явления могут привести к физиологическим изменениям как в организме хозяина, так и в голобионте в целом. Новые микробы могут попасть в микробиом через сырую пищу; Изменения в относительном количестве бактерий могут происходить в толстой кишке, где остатки пищи, такие как пищевые волокна, которые не перевариваются в верхних отделах пищеварительного тракта, расщепляются на короткоцепочечные жирные кислоты и многие другие полезные, нейтральные или вредные соединения. Изменения микробиома, вызванные диетой, способствуют здоровью людей, обеспечивая питательными веществами, активируя иммунную систему, регулируя развитие и пищевое поведение, а также способствуя энергетическому гомеостазу, ожирению, а иногда и болезням.
Введение: концепция гологенома
Фенотип голобионта
До недавнего времени исследования симбиозов концентрировались на одном первичном симбионте и его хозяине. Однако с появлением молекулярных (независимых от культуры) методов в микробиологии за последние 20 лет стало ясно, что все растения и животные, включая человека, живут в тесной ассоциации с сотнями или тысячами различных видов микробов. Симбиоз, который когда-то считался периферийным явлением, является отличительной чертой жизни на Земле [1]. Во многих случаях количество симбиотических микроорганизмов и их совокупная генетическая информация превышает таковую у их хозяев. У человека, например, в толстой кишке содержится примерно такое же количество бактериальных клеток, как и общее количество человеческих клеток [2,3]. Поскольку микробное сообщество внутри и на теле человека состоит из нескольких тысяч различных видов бактерий, генетическая информация, закодированная в микробных геномах (около восьми миллионов уникальных генов), более чем в 400 раз превышает 19 000 генов в геноме человека [4].
Концепция эволюции гологенома предполагает, что голобионт (хозяин + симбионты) со своим гологеномом (геном хозяина + все геномы симбионтов) функционирует как отдельная интерактивная биологическая сущность и, таким образом, может быть важной единицей отбора в эволюции [8,9]. Микробные симбионты играют роль в анатомии, физиологии, развитии, врожденном и адаптивном иммунитете, поведении, генетической изменчивости и эволюции голобионтов [1,10,11]. Одним из следствий рассмотрения голобионта как единицы отбора является то, что генетическая изменчивость может быть вызвана изменениями либо в геноме хозяина, либо в микробиоме. Генетическая изменчивость в геноме хозяина является результатом генетических перестроек и мутаций. Генетическая изменчивость микробиома может происходить гораздо быстрее и предсказуемо в ответ на изменения в окружающей среде, особенно на изменения в диете [9]. Например, когда количество конкретных видов бактерий в кишечнике человека увеличивается по сравнению с другими видами в результате наличия компонента в рационе, это приводит к генетическим изменениям в гологеноме, то есть к амплификации гена. Такая генетическая изменчивость может повлиять на адаптацию голобионта к новому состоянию. В этом обзоре будут обсуждаться животные и более подробно результаты исследований человека, демонстрирующие, что диета приводит к генетическим вариациям в микробиоме, а также будет показано, как эти генетические вариации могут влиять на адаптацию и физиологию голобионта.
Диета влияет на микробиом животных
Жвачные животные: поскольку они являются важными источниками пищи для человека и глобальных выбросов парниковых газов, влияние диеты на структуру микробного сообщества рубца широко исследовалось с использованием молекулярных методов, основанных на культивировании и ДНК [12–21]. Общие данные указывают на то, что при определении состава микробного сообщества факторы питания преобладают над генетическими характеристиками видов-хозяев. В крупном исследовании, включавшем 742 образца из 32 видов рубца и 35 стран [21], основным фактором, определяющим относительное обилие, был рацион питания: бактериальные сообщества животных, получавших обычный корм, были похожи друг на друга, бактериальные сообщества животных, получавших концентрат, были похожи друг на друга, но отличались от таковых у кормовых животных, а бактериальные сообщества животных, получавших смешанные рационы, были промежуточными между ними. При испытании действия рыбьего жира, высоко ненасыщенного источника жирных кислот, в рационе молочного скота в рубце наблюдалось значительное увеличение доли бактерий, продуцирующих пропионовую кислоту, и уменьшение доли бактерий, продуцирующих масляную кислоту, [22]. Яньес-Руис и др. [23] рассмотрели методы манипулирования микробиомом рубца коровы с помощью диеты в раннем возрасте.
Еще одним важным питательным веществом, которое влияет на здоровье человека и, как было показано, влияет на микробиом кишечника мышей, является пищевая соль [29]. В то время как микробиом кишечника при нормальной диете состоит в основном из видов из типа Bacteroidetes, диета с высоким содержанием соли вызывает сдвиг в относительной численности к другим типам. Род Allobaculum значительно разрастается после кормления с высоким содержанием соли. Эти данные предлагают новый взгляд на то, как соль может влиять на организм.
Разное: изменения в микробиоте кишечника в зависимости от рациона питания также были показаны у многих других животных, включая собак [33], кошек [34], кур [35], свиней [36], тюленей [37], обезьян-ревунов [38] и лягушек [39]. У тех животных, которые были исследованы, композиционные изменения в микробиоме кишечника также коррелировали с общими изменениями в физиологии.
Диета влияет на микробиом человека
Многочисленные исследования показали, что диета изменяет микробиом в кишечнике человека от младенчества до старости, и эти изменения имеют значительные физиологические эффекты, которые будут обсуждаться позже. Изменения микробиома с помощью диеты, о которых говорилось выше, можно рассматривать как генетическую вариацию голобионта.
Большая часть микробиоты, которую приобретает ребенок, поступает от матери во время прохождения через родовые пути и впоследствии при грудном вскармливании. Человеческое молоко традиционно считается стерильным; однако недавние исследования показали, что оно содержит разнообразные бактерии, которые включают микробные группы, такие как стафилококки, стрептококки, молочнокислые бактерии и такие роды, как Serratia, Pseudomonas, Corynebacterium, Ralstonia, Propionibacterium, Sphingomonas, Bradyrhizobiaceae и Bifidobacterium [40]. Примечательно, что человеческое молоко является не только, как принято сегодня, лучшим источником питания для новорожденного ребенка и источником микробов, но и содержит специфические пребиотические олигосахариды, неперевариваемые ферментами пищеварительного тракта ребенка, которые служат источниками углерода и энергии для полезных бактерий в кишечнике ребенка [41].
Прекращение грудного вскармливания и введение твердой пищи, начиная примерно с 6-месячного возраста, приводит к значительным изменениям в микробиоме. Кишечная микробиота детей, которых больше не кормят грудью, обогащается родами, преобладающими у взрослых, такими как Lachnospiraceae, Roseburia, Clostridium и Anaerostipes, а не бифидобактериями и лактобациллами, которые доминировали в кишечной микробиоте грудных детей [42]. Было замечено, что употребление твердой пищи с высоким содержанием клетчатки приводит к селекции бактерий, способных разлагать эти полисахариды [43].
Сравнение микробиоты кишечника европейских детей и детей из сельской африканской деревни, в рационе которых много клетчатки, показало значительные различия между двумя группами [44]. Сельские африканские дети показали значительное обогащение Bacteroidetes и истощение типа Firmicutes с уникальным изобилием бактерий из родов Prevotella и Xylanibacter, которые, как известно, содержат набор бактериальных генов, отвечающих за гидролиз целлюлозы и ксилана. Более того, Enterobacteriaceae (Shigella и Escherichia) были значительно недопредставлены у африканских детей по сравнению с европейскими детьми. Было высказано предположение, что в этом случае микробиота кишечника эволюционировала одновременно с диетой, богатой полисахаридами, что позволило людям максимально увеличить потребление энергии из волокон.
Полученные данные также показывают, что диета играет доминирующую роль в формировании межиндивидуальных вариаций в ассоциированных с хозяином микробных сообществах. Например, пищевые неперевариваемые углеводы могут вызывать заметные изменения в сообществе кишечного микробиома, но эти изменения зависят от исходного состава кишечного микробиома индивидуума [48].
Диетический пребиотик классически определяется как селективно ферментированный углеводный ингредиент, который приводит к специфическим изменениям в составе и/или активности желудочно-кишечной микробиоты, тем самым оказывая положительное влияние на здоровье хозяина [49]. Смысл этого определения заключается в том, что пребиотики в форме функциональных углеводов изменяют микробиоту кишечника и его метаболическую активность аналогично природной клетчатке, присутствующей в нормальном рационе человека, за исключением того, что пребиотики нацелены на конкретные бактерии и разлагаются в определенной форме и поэтому могут быть более контролируемыми. Наиболее широко изученными пребиотиками являются инулины (фруктаны), фруктоолигосахариды (ФОС) и галактоолигосахариды (ГОС), которые не перевариваются пищеварительными ферментами человека и анаэробно ферментируются бактериями, главным образом в толстой кишке [50,51].
Классическое определение пребиотиков, относящееся только к углеводам, сегодня кажется неадекватным, поскольку любой материал, попадающий в желудочно-кишечный тракт человека, может изменить микробиоту. Интересным примером являются флаванолы, которые входят в широкую группу соединений, известных как полифенолы. Флавонолы содержатся в какао и шоколаде, а также в самых разнообразных продуктах и напитках, включая клюкву, яблоки, арахис, лук, чай и красное вино, и, как известно, изменяют микробиом, а также расщепляются им, и поэтому могут считаться пребиотиками. В рандомизированном контролируемом двойном слепом перекрестном интервенционном исследовании со здоровыми людьми было показано, что производные какао флаванолы значительно увеличивают популяции полезных бактерий (Bifidobacteria и Lactobacillus), одновременно уменьшая количество патогенных клостридий [52].
Диета-управляемое приобретение микробиоты
Диета может не только вызвать генетические изменения в гологеноме, изменяя относительное обилие ранее существовавшей микробиоты, но также может изменить гологеном, вводя новые микроорганизмы. Одним из важнейших эволюционных событий у животных была способность переваривать сложные растительные полисахариды. В случае деградации целлюлозы тараканами и термитами было высказано предположение, что эволюцию сложного сообщества микроорганизмов задней кишки можно рассматривать как постепенный процесс интернализации консорциумов внешних анаэробных микробов, которые переваривают растительный мусор в почве [53]. Вместо растительного мусора, разлагающегося в различной степени во внешней среде до приема внутрь, он переваривается в задней кишке микробами после приема внутрь. Аналогичные аргументы выдвигались в пользу происхождения травоядных динозавров [54] и первых растительноядных млекопитающих [55]. Также в организме человека растительная клетчатка в той или иной степени расщепляется кишечными бактериями.
Продукты, которые не приготовлены, содержат многочисленные и разнообразные живые микроорганизмы, которые могут стать источником новых микробов. Некоторые из них могут закрепиться в кишечнике и принести пользу здоровью. В 1907 году Нобелевский лауреат Илья Мечников выдвинул гипотезу, что употребление молочнокислых бактерий в виде йогурта увеличивает продолжительность жизни [56]. В настоящее время имеются доказательства того, что потребление йогурта полезно для здоровья кишечника, восстанавливая нормальную кишечную микробиоту и подавляя воспаление [57]. Помимо йогурта, продукты, содержащие большое количество полезных бактерий, включают суп мисо, квашеную капусту, чай гриб, темный шоколад, маринованные огурцы, кимчи и кефир.
Вызванные диетой изменения микробиома влияют на физиологию голобионтов
Рассматривая голобионта как отдельную биологическую сущность и единицу отбора в эволюции, взаимодействие между нормальной микробиотой и хозяином обычно приводит к улучшению приспособленности. Хотя идея о том, что резидентные микробные сообщества вносят важный вклад в приспособленность своих хозяев, не нова, в настоящее время мы развиваем более широкое и глубокое понимание широкого спектра взаимодействий, происходящих внутри голобионта между хозяином и микробиотой. У человека симбиотические микробы защищают от патогенов 61, обеспечивают питательными веществами, включая витамины и аминокислоты [64], стимулируют адаптивную или антигенспецифическую иммунную систему в процессе развития и во взрослом возрасте [65,66], регулируют постнатальный ангиогенез [67], играют ключевую роль в энергетическом гомеостазе и ожирении 70, влияют на поведение человека 81 и иногда способствуют воспалению [82] и таким заболеваниям, как диабет [83].
У большинства животных, включая человека, кишечник содержит самую большую часть микробиома,который естественным образом взаимодействует сложным образом с пищей. Каждый компонент диеты может, в принципе, вызвать изменение микробиома, и различные микробиомы могут оказывать различное воздействие на определенную диету. Изменения, возникающие в результате этих взаимодействий, могут привести к специфическим и иногда новым физиологическим эффектам на голобионта. В этом разделе мы кратко обсудим взаимодействие некоторых компонентов рациона человека с микробиомом и их результирующие метаболические эффекты.
Большая часть взаимодействия между диетой и микробиотой у человека включает преобразование растительных пищевых волокон и других неперевариваемых пищевых ингредиентов в короткоцепочечные жирные кислоты ( SCFAs ) путем микробной ферментации в толстой кишке. Основными SCFAs, получаемыми в результате бактериальной ферментации, являются ацетат, пропионат и бутират, присутствующие в толстой кишке человека в приблизительном молярном соотношении 60:20:20 [84]. SCFAs проявляют важные и плейотропные функциональные эффекты через их влияние на ключевые регуляторные белки. SCFAs влияют на пролиферацию и функцию клеток, а также на отношения микроба с хозяином, обладают противовоспалительными, противоопухолевыми свойствами и являются основными игроками в энергетическом метаболизме, поддержании и функционировании иммунной системы. Учитывая многочисленные эффекты SCFAs, они также играют определенную роль во влиянии на различные современные заболевания, включая ожирение, диабет, воспалительные заболевания кишечника и колоректальный рак [85].
Было показано на мышах [68] и людях [74], что ожирение коррелирует с различными бактериальными сообществами и что у людей происходит постепенный переход от тучной микробиоты к худой микробиоте во время курса ограничительного потребления энергии. Было обнаружено, что у людей, чья толстая кишка содержит относительно низкое разнообразие бактерий и бактериальных генов, уровень жира и воспаления в организме выше, чем у людей с высоким кишечно-микробным богатством [75,76]. Полученные данные, свидетельствующие о взаимосвязи между ожирением и разнообразием кишечной микробиоты, открывают в будущем возможность лечения ожирения с помощью манипуляций с кишечной микробиотой. Что касается «тучных бактерий», то следует отметить, что они также связаны с нормальным увеличением веса в течение третьего триместра беременности [77], где они могут быть весьма полезны, поскольку способствуют накоплению энергии в жировой ткани и обеспечивают рост и развитие плода, а затем и выработку материнского молока для ребенка после рождения, что является центральным для приспособленности млекопитающих. Истоки взаимодействия хозяина и микробов, лежащие в основе большей части современной эпидемии ожирения, могут лежать в репродуктивной биологии и механизмах выживания, коррелирующих с нехваткой продовольствия в прошлом.
Среди различных продуктов, которые входят в рацион человека, есть те, которые называются «суперпродуктами». К ним относятся такие продукты, как гранат, черника, зеленый чай, лосось, брокколи, чеснок и ягоды годжи. Хотя термин «суперпродукт» считается скорее маркетинговым термином, профессионалы признают, что эти типы продуктов богаты нутрицевтиками и доказали свою полезность, в т.ч. в профилактике заболеваний в испытаниях на животных [92,93], а также в некоторых клинических испытаниях на людях 95. Многие из нутрицевтиков, содержащихся в суперпродуктах, расщепляются в кишечнике человека микробиотой, и эта трансформация часто превращает их в физиологически активные вещества. Давайте обсудим некоторые из них.
Польза для здоровья, приписываемая полифенолам (большому семейству соединений), которые в изобилии содержатся в самых разнообразных продуктах питания и напитках, таких как фрукты, травы, злаки, кофе, чай, какао и вино [97], в значительной степени зависит от микробиоты кишечника [98]. Большинство полифенолов, например EGCG (эпигаллокатехин-3-галлат) из зеленого чая, проходят через тонкий кишечник, где они частично расщепляются, но плохо всасываются. Когда они достигают толстой кишки, они превращаются бактериями в различные виды метаболитов, что приводит к их повышенной биодоступности [99]. Полифенолы также действуют как пребиотики, стимулируя полезные бактерии. Таким образом, существует двустороннее взаимодействие между полифенольными соединениями и кишечной микробиотой, которое благотворно влияет на здоровье человека. Было показано, что полифенолы и их метаболиты у животных, а в некоторых случаях и у человека оказывают множественные физиологические эффекты, такие как гиполипидемические эффекты, снижение когнитивных нарушений, профилактика ожирения, снижение инсулинорезистентности и профилактика ишемической болезни сердца и некоторых видов рака [97].
Ряд кишечных бактерий человека обладают способностью разлагать токсины, связанные с пищей, такие как микотоксины, обычно встречающиеся на кукурузе [102], а также щавелевую кислоту, нормальный метаболит человека и компонент широкого спектра пищевых продуктов и напитков, включая кофе, шоколад, ревень, шпинат, орехи и другие фрукты и овощи [103]. Прием внутрь граммовых количеств оксалата может привести к осаждению оксалата кальция в почках (почечнокаменная болезнь). Способность кишечной бактерии Oxalobacter formigenes деградировать пищевые оксалаты побудила ее успешно использовать в клинических испытаниях в качестве терапевтического и профилактического варианта при оксалатно-кальциевом нефролитиазе и связанной с ним почечной недостаточности [104].
Существуют также некоторые недооцененные последствия микробного метаболизма, например, снижение рН толстой кишки до 5,5-6,5 [105], что подавляет многие бактериальные патогены, и выработку тепла. Примерно 70% тепла тела в состоянии покоя вырабатывается бактериями [106].
Вывод
Взаимодействие диеты и микробиома многогранно. Диета и хозяин выбирают те микроорганизмы, которые могут быстро размножаться на пищевом субстрате в этой диете и в конкретном хозяине, что приводит к специфическому микробиому и гологеному, зависящим от хозяина. Микробиом преобразует те компоненты рациона, как клетчатка и нутрицевтики, которые не перевариваются или только частично разлагаются в верхних отделах пищеварительного тракта, в активные или неактивные соединения, часть которых всасывается в толстой кишке. Кроме того, сырая пища приносит с собой новые микробы, которые иногда попадают в микробиом. Изменения микробиоты, вызванные диетой, вносят свой вклад в физиологию голобионтов человека, предоставляя питательные вещества, стимулируя иммунную систему, регулируя развитие и поведение, способствуя энергетическому гомеостазу и ожирению, а также при определенных условиях заболеваниям. Поскольку все больше известно о конкретных микробах, которые участвуют в различных физиологических функциях в организме человека, должна появиться возможность оптимизировать физиологию микробиома и голобионта с помощью пробиотиков и различных пищевых продуктов, которые, как теперь известно, действуют как пребиотики.
О важности оси «диета-микробиом-хозяин» см. по ссылкам:
См. также:
Будьте здоровы!
ССЫЛКИ К РАЗДЕЛУ О ПРЕПАРАТАХ ПРОБИОТИКАХ
Что такое микробиомное питание
В каждом из нас живут триллионы бактерий, большая часть из них- в нижней части кишечника.
Микробиом кишечника состоит из полезных и потенциально вредных бактерий.
Делимся несколькими советами о том, как питаться с пользой для себя и микробиоты.
Ешьте разнообразные продукты
В кишечнике обитают сотни видов бактерий, для роста и развития им нужны разные питательные вещества.
Ешьте продукты с клетчаткой
Вот некоторые продукты, которые можно включить в свой рацион:
Диета, в которой много фруктов и овощей предотвращает рост болезнетворных бактерий. Яблоки, черника, миндаль и фисташки увеличивают количество полезных бифидобактерий. Вегетарианские диеты благотворно влияют на состав микробиоты, снижая количество болезнетворных бактерий, таких как E. coli. Предполагается, что это связано с более высоким содержанием клетчатки в рационах без мяса. Кроме того, вегетарианцы, часто ведут более здоровый образ жизни, чем всеядные.
Ешьте ферментированные продукты
Наши бактерии особенно любят продукты, которые прошли ферментацию, например брожение или квашение.
Примеры ферментированных продуктов:
Кисломолочные продукты помогают уменьшить количество болезнетворных бактерий у людей с синдромом раздраженного кишечника. Употребление йогурта может благотворно сказаться на непереносимости лактозы у детей и взрослых. Максимальную пользу принесут кисломолочные продукты без сахара, вкусовых и ароматических добавок. Ферментированное соевое молоко и кимчи способствуют росту полезных бифидо- и лактобактерий, и уменьшают количество болезнетворных бактерий.
Ешьте цельнозерновые продукты
В продуктах из непереработанного зерна много клетчатки и неперевариваемых углеводов, таких как бета-глюканы. Эти углеводы не усваиваются в тонком кишечнике, как другие питательные вещества, и поступают в толстый кишечник, там они расщепляются микробиотой и способствуют росту бифидо- и лактобактерий.
Еще цельнозерновые дают длительное чувство сытости. Это снижает вероятность переедания в течение дня.
Ешьте продукты, богатые полифенолами
Полифенолы — это растительные антиоксиданты, они действуют как топливо для полезных бактерий.
В этих продуктах много полифенолов:
Полифенолы из какао помогают росту бифидо- и лактобактерий.
Ешьте продукты, богатые пробиотиками
Пробиотики — это живые бактерии, которые содержатся в некоторых пищевых продуктах. Эти бактерии полезны для человека, не вызывают никаких заболеваний и не продуцируют токсины. Они улучшают состав и биологическую активность микрофлоры кишечника. Отличный источник пробиотиков-квашеная капуста, к тому же, она богата клетчаткой, витаминами С, В и К.
Имейте в виду, что пробиотики, особенно если их вводить внезапно, могут увеличить газообразование в кишечнике, и привести к метеоризму и вздутию живота. Впрочем, этот небольшой дискомфорт быстро пройдет, если продукты, богатые пробиотиками есть регулярно.
Не обманывайте вкус.
Питайтесь с пользой для себя и своих бактерий!