Gunstige bacteriën streven een bepaald type voedingsvezel na; bevindingen die kunnen bijdragen aan het ‘ontwerpen’ van voedsel. Bepaalde menselijke darmbacteriën hebben links naar een goede gezondheid wanneer ze gevoed worden met specifieke typen ingrediënten in voedingsvezels, volgens een nieuwe studie van de Washington University School of Medicine in St. Louis.
Het onderzoek–uitgevoerd bij muizen, gekoloniseerd met menselijke darmbacteriën, en waarbij gebruik gemaakt werd van nieuwe technieken om de verwerking van voedingsstoffen te meten–, is een stap richting het ontwikkelen van meer voedingstofrijke voeding, gebaseerd op een strategie van het gericht verrijken van belangrijke ‘sleutel’- bacteriën binnen groepen darmbacteriën.
De onderzoekers identificeerden vezels die selectief de overvloed van gunstige bacteriën stimuleren en spoorden de bioactieve componenten van vezels, verantwoordelijk voor hun effecten, op. Om te kunnen ontcijferen hoe bacteriën van darmbacterie-groepen met elkaar concurreren of samenwerken voor deze vezel-ingrediënten, vonden de onderzoekers ook een type kunstmatig voedseldeeltje uit, dat zich gedroeg als een biosensor om voedselvertering in de darmen te monitoren.
“We zitten middenin een revolutie van voedingswetenschap—waar de van nature voorkomende moleculen, aanwezig in diverse basisvoedingsmiddelen geïdentificeerd worden, gebruik makend van geavanceerde analyse-instrumenten”, aldus seniorauteur Jeffrey I. Gordon, MD, Dr. Robert J. Glaser Distinguished University Professor, directeur van het Edison Family Center for Genome Sciences & Systems Biology en hoofd van de huidige studie.
“De resulterende encyclopedieën van voedsel ingrediënten leveren een mogelijkheid om te begrijpen hoe darmbacteriën in staat zijn om deze ingrediënten te detecteren en te transformeren naar producten die ze gebruiken om aan hun eigen behoeften te voldoen, alsmede om ze met ons te delen. De code kraken omtrent welke voedsel ingrediënten de darmbacteriën begeren is een sleutel naar het ontwerpen van voedsel die de gezondheid bevordert.”
Voedingsvezels staan erom bekend dat ze de gezondheid bevorderen, maar typische Westerse voedingspatronen zijn arm aan vezelrijk fruit, groenten, hele granen en peulvruchten. Vezels bevatten zeer diverse en complexe collecties van moleculen. De specifieke componenten van verscheidene vezels die gebruikt worden door darmbacteriën en gezondheidsvoordelen opleveren zijn over het algemeen niet bekend. Aangezien het menselijk genoom een zeer gelimiteerd arsenaal bezit van genen die voedingsvezels kunnen afbreken, en vele soorten darmbacteriën vol met deze genen zitten, zijn mensen afhankelijk van darmbacteriën om vezels te verteren.
In een poging om te begrijpen welk typen vezels de vertegenwoordiging van verschillende soorten gunstige microben in de menselijke darmen bevorderen, en de origine van hun actieve ingrediënten, screenden de onderzoekers 34 typen vezels, geleverd door het voedingsmiddelenbedrijf Mondelez International. Hun lijst omvatte vezels die dikwijls werden weggegooid tijdens het productieproces, zoals schillen van fruit en groenten en kaf.
De onderzoekers begonnen met het koloniseren van muizen, gekweekt onder steriele omstandigheden, met een collectie van soorten darmbacteriën, verkregen van een gezond persoon. De genomen van deze organismen werden gerangschikt om hun genen te inventariseren. De groepen muizen die dit model van groepen menselijke darmbacteriën hadden, werden aanvankelijk gevoerd met een basis-voedselpatroon van de mens, rijk aan verzadigde vetten en arm aan vezels. Vervolgens, screenden de onderzoekers 14 afgeleide diëten, die verschillende typen en hoeveelheden vezelsupplementen bevatten.
De onderzoekers monitorden de effecten van de toegevoegde vezels op de niveaus van leden van de modelgroep darmbacteriën, alsmede expressie van de eiwitten, gecodeerd door hun genomen.
“Microben zijn geweldige leermeesters”, zegt Gordon. De microbiële genen, die reageren op de verschillende vezels, leverden een belangrijke aanwijzing met betrekking tot welke soorten moleculen in een verstrekt type vezels, een bepaalde bacterie van de bacteriegroep prefereert te consumeren.”, aldus hoofdauteur Michael L. Patnode, PhD, een postdoctoraal onderzoeker in Gordon’s lab.
“ Onze onderzoeken identificeerden voedingsmiddel-geschikte vezels die selectief van invloed waren op verschillende soorten, die behoorden tot een groep bacteriën die Bacteroides genoemd worden. Ons experimenten lieten zien dat in erwtenvezel, de actieve moleculaire bestandsdelen een type polysacharide omvatte welke ‘arabinan’ genoemd wordt, waar bijvoorbeeld in citruspectine, te vinden in sinaasappelschillen, een ander type polysacharide, genaamd homogalacturonan, verantwoordelijk was voor de groei van de bacteriën.
De onderzoekers legden interacties bloot tussen soorten darmbacteriën die de selectieve effecten van vezels op soorten Bacteroides helpen verklaren. Het blijkt dat sommigen van de Bacteroides in hun groep direct met elkaar concurreren om bestandsdelen van voedingsvezels te consumeren, waar anderen zich onderwerpen aan hun buren. Het begrijpen van deze onderlinge relaties is belangrijk voor het ontwikkelen van voedingsmiddelen die optimaal verwerkt worden door verschillende soorten microbiële populaties die samenleven in de darmen, aldus de onderzoekers.
Om deze relaties te ontleden, creëerde Patnode kunstmatige voedseldeeltjes, die bestaan uit verschillende typen magnetische, microscopische glazen kralen. Elk type bevatte een gegeven, van vezel afgeleide polysacharide, gebonden aan de oppervlakte van de kraal tezamen met een gegeven type van gebonden fluorescent label. De verzameling van verschillende typen kralen werd gelijktijdig geïntroduceerd in de darmen van de verschillende groepen muizen, die gekoloniseerd waren met de menselijke groep darmbacteriën—met of zonder bedoeld weglaten van een of meer van z’n leden van de Bacteroides.
Voedseldeeltjes werden vervolgens teruggevonden na het passeren door de darmen van deze dieren, en de hoeveelheid polysacharide die overgebleven was op de oppervlakte van deze deeltjes werd gemeten.
“Deze kunstmatige voedseldeeltjes gedroegen zich als biosensoren, die het ons mogelijk maakten om te ontcijferen hoe het aanwezig laten zijn of weglaten van Bacteroides het vermogen beïnvloedt van de darmbacteriegroep om de verschillende polysachariden, aanwezig op de verschillende kralen te verwerken”, aldus Patnode. “Bovendien kregen we de mogelijkheid om de afbraak van vezels bij verschillende ‘voedings-contexen’ te monitoren”.
Gordon merkt op dat voedingsstof bevattende kunstmatige voedseldeeltjes, niet enkel gebruikt kunnen worden als biosensoren om de functionele mogelijkheden van iemands microbiële community te definiëren, maar ook voedselwetenschappers kunnen helpen om methodes te ontwikkelen om meer voedingsstofrijke voedingsmiddelen te produceren, die verschillende combinaties van gezondheid bevorderende bioactieve vezelcomponenten bevatten.
Vertaling: Arnoud