Ксилитол усиливает синтез пропионата в толстой кишке благодаря перекрёстному питанию кишечной микробиоты

Введение: Ксилитол — белый или прозрачный многоатомный спирт, который расщепляется микроорганизмами толстой кишки, способствует размножению полезных бактерий и образованию короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК), однако механизм этих эффектов остаётся неизвестным. В течение 3 месяцев мыши получали корм с содержанием ксилитола 0%, 2% (2,17 г/кг/сут) или 5% (5,42 г/кг/сут; по массе). Помимо экспериментов по перевариванию ксилитола in vivo на мышах, ксилитол в концентрации 3% (по объёму; 0,27 г/кг/сут для человека) добавляли на 7 дней в систему моделирования толстой кишки CDMN. Для изучения пребиотического механизма действия ксилитола проводили секвенирование гена 16S рРНК, количественное определение биомаркеров полезных метаболических процессов, а также анализ метаболома и метатранскриптома. Бактерии, связанные с перевариванием ксилитола, отбирали для монокультивирования и совместного культивирования двух или трёх видов. Изучали переваривание и использование ксилитола в средах с глюкозой, ксилитолом, смесью источников углерода или без них. Кроме того, на молекулярном уровне исследовали механизмы изменения состава микробиоты и содержания КЦЖК.

Результаты: В экспериментах in vivo и in vitro ксилитол не оказывал значимого влияния на структуру кишечной микробиоты. Однако он повышал содержание всех КЦЖК, особенно пропионата в просвете кишки и бутирата в слизистой оболочке; в эксперименте in vitro это сопровождалось изменением численности соответствующих бактерий. При использовании ксилитола наблюдалось перекрёстное питание — взаимодействие, при котором один организм потребляет метаболиты, выделяемые другим, — между Lactobacillus reuteri, Bacteroides fragilis и Escherichia coli. На молекулярном уровне установлено, что ключевыми ферментами метаболизма ксилитола являются ксилитолдегидрогеназа (EC 1.1.1.14), ксилулокиназа (EC 2.7.1.17) и ксилулозофосфатизомераза (EC 5.1.3.1); они обнаружены у бактерий родов Bacteroides и представителей семейства Lachnospiraceae. Поэтому эти бактерии рассматриваются как ключевые участники переваривания ксилитола. Кроме того, ксилитол влиял на метаболический путь образования пропионата: значительно усиливал транскрипцию гена фосфотрансацетилазы (EC 2.3.1.8) у бифидобактерий и повышал продукцию пропионата.

Выводы: Полученные результаты показывают, что ключевые ферменты переваривания ксилитола, присутствующие у разных бактерий, совместно поддерживают рост микробного сообщества. При этом они также повышают концентрацию пропионата, снижая pH и ограничивая относительную численность Escherichia и Staphylococcus. Благодаря перекрёстному питанию и конкуренции между этими бактериями ксилитол может динамически регулировать состав кишечной микробиоты, способствуя повышению активности ферментов метаболизма ксилитола и образованию КЦЖК. Видеоаннотация.