Ciclul molecular al hidrogenului în intestinul uman: roluri enzimatice, bacteriene și implicații pentru sănătate

Un studiu amplu publicat în revista Nature Microbiology a integrat analize enzimatice, genetice și fiziologice pentru a caracteriza rolul ciclului molecular al hidrogenului (H₂) în intestinul uman. Acest gaz este generat în cantități mari de bacteriile fermentative și influențează profund echilibrul metabolic intestinal și sănătatea gazdei.
Hidrogenul molecular este un intermediar central al digestiei intestinale. Este produs în cantități mari în urma fermentației carbohidraților și este utilizat ulterior de diverse microorganisme pentru conservarea energiei. Deși se știa că bacteriile acetogene, arheele metanogene și bacteriile reducătoare de sulfați consumă H₂, informațiile despre enzimele implicate erau fragmentare. Mai mult, dezechilibrele în ciclul H₂ au fost asociate cu tulburări precum sindromul de intestin iritabil și boala Crohn.

Despre studiu

Obiective și metodologie

Cercetătorii au analizat metagenome și metatranscriptome provenite din scaune umane și biopsii intestinale pentru a identifica și cuantifica genele codificatoare pentru hidrogenaze. Au fost incluse date de la:

• 300 de metagenome fecale umane
• 78 de metatranscriptome pereche
• 42 de biopsii intestinale
• 871 de indivizi sănătoși și 790 cu afecțiuni cronice

Activitatea enzimatică a fost confirmată prin cultivarea a 19 izolate bacteriene și expresia heterologă a patru hidrogenaze. Producția de H₂ a fost măsurată prin cromatografie gazoasă, iar expresia genică a fost evaluată prin secvențiere transcriptomică și spectroscopie EPR.

Rezultate

Dominanța hidrogenazelor de tip B [FeFe]

Genele pentru hidrogenaza de tip B [FeFe], anterior slab caracterizate funcțional, au fost cele mai frecvente și intens transcrise în intestinul uman:

• Abundență medie: 0,75 ± 0,25 copii/genom
• Transcripție: 95 ± 86 RPKM, semnificativ mai mare decât alte subgrupuri

Această hidrogenază este codificată de peste 60% din izolatele intestinale, inclusiv de Bacteroides, Alistipes și Faecalibacterium.

Bacteroides – un fermentator major de H₂

Contrar presupunerilor anterioare, Bacteroides s-a dovedit a fi un important producător de H₂ prin exprimarea hidrogenazei de tip B [FeFe], confirmată prin:

• Producția de H₂ până la 3,0 ± 0,6% în atmosferă în timpul fermentației
• Transcripție ridicată (până la 345 TPM) în 7 specii

În condiții fermentative, această enzimă contribuie la reoxidarea ferredoxinei reduse de PFOR, eliminând electronii sub formă de H₂. În prezența heminului, metabolismul se orientează către propionat și succinat, dar H₂ rămâne un produs semnificativ.

Dinamica consumului de H₂

Consumul de H₂ este mediat în principal de:

• Hidrogenaze de tip 1 [NiFe] – exprimate în Enterobacteriaceae, Veillonella, Parabacteroides, Akkermansia
• Hidrogenaze implicate în respirația anaerobă cu acceptori ca fumarat, nitrat și sulfoxizi

Hidrogenazele metanogene și sulfidogene sunt rare, dar transcripțional active. Biopsiile intestinale au confirmat expresia crescută a genelor pentru hidrogenaze în pereții intestinali.

Diferențe între indivizii sănătoși și cei cu afecțiuni cronice

Compararea celor 1661 de indivizi (871 sănătoși, 790 cu afecțiuni cronice) a arătat că:

• Hidrogenaza B [FeFe] este mai abundentă la persoanele sănătoase (0,72 ± 0,17 vs. 0,56 ± 0,24 cpg, P=0,0023)
• Hidrogenaza A1 [FeFe] este de 2,8 ori mai crescută în boala Crohn
• Se observă o creștere a hidrogenazelor de respirație (ex. grupa 1d [NiFe]) în afecțiunile inflamatorii

Aceste schimbări ar putea reflecta o adaptare a microbiotei în condiții de inflamație, favorizând bacteriile care utilizează H₂ pentru respirație anaerobă.

Concluzii

Studiul oferă o perspectivă integrată asupra metabolismului H₂ în intestinul uman, demonstrând că:

• Hidrogenaza de tip B [FeFe] este enzima principală de producere a H₂ în flora intestinală
• Bacteroides joacă un rol central în fermentație și echilibrul redox
• Dezechilibrele în tipurile de hidrogenaze pot reflecta sau contribui la patogeneza bolilor intestinale

Aceste date deschid calea pentru folosirea hidrogenazelor ca biomarkeri ai sănătății intestinale sau ținte pentru intervenții terapeutice. Sunt necesare studii suplimentare pentru a înțelege interacțiunile complexe dintre microorganismele producătoare și consumatoare de H₂, precum și impactul acestora asupra gazdei umane.