Microbiota intestinale e metabolismo delle pectine alimentari
Negli ultimi anni, i prodotti di degradazione della pectina, noti anche come oligosaccaridi delle pectine (POS), hanno guadagnato notevole attenzione come prebiotici per la loro potenziale capacità di alterazione della composizione del microbioma.
Questo crescente interesse ha moltiplicato gli studi volti a esplorare l’interazione tra la pectina e il microbiota intestinale. La review del 2024 The pectin metabolizing capacity of the human gut microbiota esplora i meccanismi di fermentazione della pectina da parte di diversi batteri intestinali, concentrandosi sui sistemi di trasporto e sulle famiglie di enzimi coinvolti, sulla capacità di sintesi degli SCFA e sui loro effetti sull’ecologia microbica intestinale.
Cos’è la pectina?
La pectina è un polisaccaride non amidaceo piuttosto abbondante nelle pareti cellulari di frutta, verdura e altre fonti vegetali; essa contribuisce alla consistenza e alla coesione dei tessuti vegetali. Sebbene non possa essere digerita dall’uomo, la pectina viene fermentata da alcuni batteri eubiotici nell’intestino crasso attraverso l’azione di specifici enzimi carboidrati-attivi, noti come CAZymes.
Le pectine sono essenzialmente polisaccaridi complessi composti da un massimo di 29 diversi monosaccaridi connessi tra loro da oltre 20 diversi legami glicosidici. Strutturalmente, la pectina comprende vari domini strutturali, tra cui l’omogalatturonano (HG), lo xilogalatturonano (XGA), il ramnogalatturonano I (RG-I) e il ramnogalatturonano II (RG-II), ciascuno con proprietà e funzionalità distinte. Le catene laterali del RG-I presentano una significativa diversità dovuta alla presenza di quattro tipi di oligosaccaridi ramificati, di lunghezza variabile. Questi oligosaccaridi sono generalmente costituiti da catene lineari e ramificate di arabinano, galattano e arabinogalattano I (AG-I) e arabinogalattano II (AG-II). La composizione specifica di queste catene dipende dalla fonte vegetale di partenza. Inoltre, la struttura della pectina può essere classificata in base al suo grado di esterificazione, che include il grado di metilazione e acetilazione.
I CAZymes, gli enzimi degradatori dei carboidrati
La produzione di CAZymes da parte dei batteri intestinali è una risposta adattativa alla pectina alimentare. I CAZymes sono responsabili della rottura dei legami glicosidici all’interno delle strutture sia glucidiche che non glucidiche. Diverse classi di CAZymes includono glicosidi idrolasi (GH), polisaccaridi liasi (PL), carboidrati esterasi (CE), glicosil transferasi (GT), moduli di legame dei carboidrati (CBM) e attività ausiliarie (AA); tutti questi enzimi svolgono un ruolo fondamentale nella degradazione della pectina.
Gruppi specifici di batteri intestinali hanno sviluppato la capacità genetica di produrre una vasta gamma di CAZymes, in grado di agire su diversi componenti della pectina. La fermentazione della pectina porta alla produzione di SCFA, tra cui acetato, propionato e butirrato, che conferiscono diversi effetti benefici al tratto gastrointestinale dell’ospite e sembrano volgere un ruolo vitale nella comunicazione lungo l’asse microbiota-intestino-cervello.
Quali batteri del microbiota colonico esprimono attività pectinolitica?
- Bacteroidota (ex-Bacteroidetes)
Il phylum Bacteroidota è ben noto per il suo ruolo dominante nella degradazione dei polisaccaridi nel tratto gastrointestinale umano. All’interno del phylum Bacteroidota, il genere Bacteroides è noto per la codifica di un numero significativo di CAZymes, che va da 100 a oltre 300; questa abbondanza consente loro di utilizzare in modo efficiente una vasta gamma di fibre alimentari.
Vari studi hanno dimostrato che le popolazioni di Bacteroides aumentano durante la fermentazione in vitro con varie fonti di pectina, come la pectina di agrumi, la pectina di barbabietola da zucchero e l’RG-I delle carote. Tra le specie di Bacteroides che esprimono un repertorio diversificato di geni ed enzimi coinvolti nella degradazione di tali composti pectici, ritroviamo il Bacteroides thetaiotaomicron e il Bacteroides ovatus.
Precedenti ricerche hanno suggerito invece che il trattamento con pectina di mela determini un aumento di Parabacteroides distasonis, un’altra specie appartenente al phylum Bacteroidota.
- Bacillota (ex-Firmicutes)
Sebbene le specie di Bacteroidota abbiano generalmente genomi più grandi e codifichino un numero maggiore di enzimi GH e PL, anche alcuni membri del phylum Bacillota sono in grado di metabolizzare la pectina, soprattutto le specie Butyrivibrio fibrisolvens, Clostridium butyricum, Lactococcus lactis, Bacillus thuringiensis, Enterococcus hirae ed Agathobacter (ex-Eubacterium rectale).
La ricerca ha dimostrato che, all’interno del phylum Bacillota, la famiglia delle Ruminococcaceae (od Oscillospiraceae, che rappresenta il 10-20% dell’intero consorzio microbico intestinale umano) è favorita nella fermentazione della pectina nativa. Il genere Faecalibacterium, che appartiene a questa famiglia, è stato comunemente osservato aumentare durante la fermentazione con substrati pectici: in particolare, la specie F. prausnitzii è promosso dalla pectina di agrumi ricca di RG-I e RG-II, nonché dagli oligosaccaridi della barbabietola da zucchero.
Anche la famiglia delle Lachnospiraceae possiede la capacità enzimatica di degradare i substrati pectici, e la sua presenza è significativamente aumentata nel microbiota intestinale di soggetti sani con fonti di pectina ricche di HG e RG-I. All’interno di questa famiglia, è stato dimostrato che Lachnospira eligens (prima nota come Eubacterium eligens), Roseburia hominis e Roseburia intestinalis possiedono vari enzimi in grado di degradare la pectina.
- Actinomycetota (ex-Actinobacteria)
Nel phylum Actinomycetota, il genere Bifidobacterium mostra una fermentazione selettiva di specifici carboidrati con una preferenza per le molecole a catena più corta, poiché la maggior parte dei Bifidobacterium mostra una crescita maggiore sugli oligosaccaridi rispetto alle pectine in studi sperimentali. Ad esempio, è stato suggerito che Bifidobacterium adolescentis, Bifidobacterium breve, Bifidobacterium angulatum, Bifidobacterium longum subsp. longum e Bifidobacterium infantis abbiano una capacità limitata di degradare la struttura pectinica rispetto ai Bacteroides.
Diversi studi hanno dimostrato che le specie di Bifidobacterium fermentano efficacemente gli arabino-oligosaccaridi, che possono derivare anche dalla depolimerizzazione delle catene laterali di arabinano di RG-I, a dimostrazione della loro capacità di degradare specifici componenti della pectina. Questi risultati suggeriscono che il genere Bifidobacterium sia più adatto a degradare catene laterali specifiche, come arabinano e galattano, all’interno delle strutture pectiche.
Cosa deriva dalla digestione batterica della pectina?
Dopo la depolimerizzazione della pectina, si formano diversi tipi di oligosaccaridi noti come POS, ovvero gli oligo-galatturonidi, i galatto-oligosaccaridi, gli arabino-oligosaccaridi, i ramnogalatturonidi, gli xilo-oligogalatturonidi e gli arabino-galatto-oligosaccaridi. Questi POS sono in grado di essere assorbiti dai sistemi di trasporto dei batteri non dotati di CAZymes ed utilizzati per ulteriori passaggi metabolici, favorendo così la crescita di tutto il consorzio microbico in un’ottica di alimentazione incrociata (cross-feeding)
I degradatori primari, come Eubacterium, Roseburia, Ruminococcus, Clostridium e Bifidobacterium, svolgono un ruolo fondamentale nella rete di alimentazione incrociata. Il cross-feeding tra ceppi di Bifidobacterium sembra essere relativamente comune, poiché diverse specie crescono fino a raggiungere densità cellulari più elevate, accompagnate da una sovraregolazione delle rispettive vie saccarolitiche, quando coltivate in co-coltura rispetto alla loro crescita in monocoltura.
Prospettive future nell’uso delle pectine alimentari
Il confronto tra la composizione microbica, la diversità e il potenziale funzionale delle diverse fibre indigeribili potrà fornire una comprensione sempre più completa di come i diversi tipi di fibre influenzino il microbioma intestinale. Valutando la composizione del microbiota intestinale di un individuo e la sua capacità di produrre CAZyme pectinolitici, si potrà prevederne la capacità di degradare la pectina e altri tipi di fibre alimentari; questo approccio personalizzato consentirà di eseguire interventi sempre mirati in relazione all’assunzione di fibre alimentari e alle strategie di integrazione, migliorandone l’efficacia e ottimizzando i risultati in termini di salute.
