Batteri intestinali-immagine credit public domain.
Ricercatori della Goethe-Universität di Francoforte hanno scoperto un ruolo sorprendente dell’acido formico nell’intestino umano: la piccola molecola agisce come una sorta di “taxi” per gli elettroni, sia all’interno dei batteri che, probabilmente, anche tra diversi microrganismi. Il batterio intestinale Blautia luti produce acido formico come parte di un meccanismo metabolico che gli consente di rispondere in modo flessibile a ciò che è disponibile nell’intestino. Oltre ai carboidrati, il batterio può anche metabolizzare il monossido di carbonio tossico derivato dalla degradazione dell’emoglobina dell’organismo.
Tra i miliardi di microrganismi presenti nell’intestino umano c’è la Blautia luti. Come molti batteri intestinali, metabolizza componenti alimentari indigeribili, come le fibre sotto forma di carboidrati. Questo processo produce, tra le altre cose, acido acetico (acetato), un’importante fonte di energia per le nostre cellule intestinali e una molecola di segnalazione che può persino influenzare il nostro benessere attraverso l’asse intestino-cervello.
Taxi per il trasporto di elettroni
B. luti vive nell’intestino in assenza di ossigeno e non può respirare, ma solo fermentare. Durante questo processo, i carboidrati vengono convertiti in lattato, succinato, etanolo, anidride carbonica e idrogeno, che vengono escreti come prodotti finali del metabolismo. Un eccesso di idrogeno nell’intestino è dannoso perché inibisce l’ulteriore fermentazione. Pertanto, piccoli organismi unicellulari noti come archaea consumano l’idrogeno, lo convertono in metano e quindi regolano i livelli di idrogeno nell’intestino. L’idrogeno agisce quindi, per così dire, come un taxi elettronico all’interno di un batterio e tra diversi batteri. Tuttavia, questo processo comporta una sostanziale perdita di energia ed è quindi svantaggioso per i batteri.
B. luti ha un’ulteriore, migliore opzione. Raphael Trischler e il Prof. Volker Müller, titolare della Cattedra di Microbiologia Molecolare e Bioenergetica presso l’Università Goethe di Francoforte, hanno scoperto che B. luti produce acido formico (formiato) invece di anidride carbonica (CO₂) e idrogeno, con l’idrogeno legato alla CO₂. In questo caso, l’acido formico è il taxi elettronico, consentendo di evitare la produzione di idrogeno, energeticamente costosa.
Per produrre acido formico, B. luti utilizza l’enzima piruvato formiato liasi. Questo enzima è piuttosto insolito nei batteri acetogeni. “Gli elettroni sono essenzialmente immagazzinati nell’acido formico”, spiega Trischler. Tuttavia, l’acido formico è anche dannoso ad alte concentrazioni.
B. luti detossifica l’acido formico insieme alla CO₂ attraverso una speciale via metabolica, la via di Wood-Ljungdahl (WLP), convertendola in acetato. Nella WLP, la CO₂ viene trasformata attraverso due diverse “diramazioni” e infine assemblata in acido acetico. Nella prima diramazione, la CO₂ viene normalmente convertita in acido formico da un enzima specifico, la formiato deidrogenasi, utilizzando idrogeno. “Ma B. luti è completamente privo di formiato deidrogenasi”, spiega Raphael Trischler, che ha studiato il batterio per la sua tesi di dottorato. Invece, B. luti utilizza direttamente l’acido formico. La scomposizione degli zuccheri da un lato e la produzione di acido acetico dall’altro sono quindi collegate tramite l’acido formico: una strategia intelligente che conferisce al batterio un vantaggio energetico.
Effetti collaterali utili
Nella coltura di laboratorio studiata, B. luti secerne acido formico. Nella complessa rete alimentare intestinale, tuttavia, la situazione è diversa e l’acido formico non si accumula. Gli archea produttori di metano possono convertire l’acido formico in metano, ma B. luti ha un altro asso nella manica. La riduzione dell’acido formico nella WLP richiede elettroni che provengono dalla fermentazione dei carboidrati. Ma B. luti può anche utilizzare gas prodotti da altri batteri a questo scopo. “In presenza di idrogeno, l’acido formico scompare completamente”, riferisce Trischler.
Particolarmente notevole è la capacità di B. luti di utilizzare il monossido di carbonio. Questo gas altamente tossico viene prodotto nel corpo umano durante la scomposizione naturale dell’emoglobina, il pigmento rosso del sangue. “Batteri come B. luti possono quindi detossificare il monossido di carbonio prodotto dall’organismo stesso utilizzando l’acido formico”, spiega Müller. Questo spiega anche perché così tanti microbi intestinali possiedono l’enzima monossido di carbonio deidrogenasi.
B. luti ha un’altra proprietà benefica per l’uomo: oltre all’acetato, produce succinato (acido succinico). Il succinato promuove la crescita di altri batteri intestinali benefici, stimola il sistema immunitario ed è anche una materia prima di valore industriale per applicazioni biotecnologiche.
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Lo studio evidenzia quanto siano diverse le strategie metaboliche nell’intestino.
“Anche all’interno di gruppi correlati di batteri, esistono differenze affascinanti. Comprendere questo ci aiuta a decifrare meglio le interazioni tra i diversi batteri intestinali e il loro ruolo nel benessere umano”, dice il Prof. Volker Müller, Cattedra di Microbiologia Molecolare e Bioenergetica, Università Goethe di Francoforte.