Interactions between bifidobacteria and other human intestinal microbial populations

Abstract

La microbiota intestinal es un ecosistema dinámico influenciado por factores como la dieta, enfermedades o la edad. Produce vitaminas, así como ácidos grasos de cadena corta (AGCC) a partir de carbohidratos no digeribles de la dieta, y protege frente a patógenos. Tres de los géneros más representativos de la microbiota son Bacteroides, Faecalibacterium y Bifidobacterium. Las interacciones entre estos microrganismos, así como con los compuestos presentes en el ambiente intestinal, y con las células humanas, condicionan en gran parte la influencia que la microbiota ejerce sobre la salud del hospedador. Bacteroides se caracteriza por un metabolismo sacarolítico y proteolítico muy amplio, e incluye algunas especies patógenas oportunistas. Por otra parte, a Faecalibacterium prausnitzii se le ha atribuido un efecto antiinflamatorio y niveles reducidos de este microorganismo se han relacionado con enfermedades inflamatorias intestinales; esta especie puede utilizar ácido acético producido por otras especies y formar ácido butírico, en un fenómeno conocido como “cross-feeding”. Ciertas cepas del género Bifidobacterium son utilizadas como probióticos y algunas pueden producir exopolisacáridos (EPS), que son carbohidratos complejos localizados en el exterior celular. En trabajos previos, nuestro grupo investigador demostró, mediante cultivos fecales, que los EPS de bifidobacterias tienen la capacidad de modular la microbiota intestinal. Aumentaron las poblaciones de bifidobacterias y Bacteroides, obteniéndose mayores niveles de ácido propiónico respecto a los cultivos con glucosa. Por otro lado, algunos trabajos han estudiado la interacción entre bifidobacterias y bacterias productoras de ácido butírico. En este contexto, el objetivo principal de esta Tesis Doctoral fue profundizar en el conocimiento de las interacciones metabólicas entre el género Bifidobacterium y otros miembros de la microbiota intestinal. Se llevaron a cabo co-cultivos de diferentes combinaciones de Bifidobacterium-Bacteroides en glucosa y EPS de bifidobacterias como carbohidratos fermentables, así como de Bifidobacterium-Faecalibacterium con diferentes fuentes de carbono. Se realizaron recuentos de los microorganismos crecidos en mono y co-cultivo mediante qPCR, se analizaron los metabolitos producidos por cromatografía de gases y cromatografía liquida (CG y HPLC) y el perfil intracelular y extracelular de aminoácidos por UHPLC, se realizaron estudios proteómicos mediante 2D-DIGE y de expresión génica mediante RT-qPCR. Los datos obtenidos revelaron que las interacciones Bacteroides-Bifidobacterium están fuertemente influenciadas por las fuentes de carbono disponibles y por la capacidad metabólica de estos microorganismos. El co-cultivo de Bifidobacterium longum y Bacteroides fragilis provocó cambios en la producción de enzimas del catabolismo central de carbohidratos en ambos microorganismos y condujo a la sobreproducción de una proteína con función chaperona en Ba. fragilis. El crecimiento de Ba. fragilis en presencia de EPS, con o sin aminoácidos en el medio de cultivo, condujo a cambios metabólicos y fisiológicos destinados a optimizar la obtención de energía en forma de ATP y a mantener el balance redox intracelular, obteniéndose una producción relativa de ácido propiónico mayor que en cultivos con glucosa. Ba. fragilis es capaz de utilizar EPS producidos por bifidobacterias como única fuente de carbono fermentable, dando lugar a un aumento de la producción relativa de ácido propiónico y el mantenimiento de la viabilidad de este microorganismo en etapas tardías de crecimiento. Finalmente se demostró un mecanismo de cross-feeding para la producción de butirato entre Bifidobacterium adolescentis y F. prausnitzii en presencia de fructooligosacáridos como fuente de carbono. El presente trabajo pone de manifiesto la especificidad de las interacciones entre los microorganismos intestinales, dependiente tanto de las cepas como de las fuentes de carbono disponibles.