Kürzlich hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Chen Chunying vom National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) herausgefunden, dass Darmmikrobiota exogene Kohlenstoffnanomaterialien (CNMs) als Kohlenstoffquellen zu kurzkettigen Fettsäuren fermentieren können Säuren. Die Studie wurde veröffentlicht in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften und wurde als gemeldet Natur Markieren.
Darmmikrobiota sind die Hauptziele für exogene Nanomaterialien über den oralen Weg. Von der Darmmikrobiota gesteuerte biologische Prozesse bestimmen das endgültige Schicksal von CNMs in den Wirten. Allerdings enthalten CNMs und zahlreiche Bestandteile im Darm, wie Nahrung, Kohlenhydrate, Proteine und Lipide, sowie die Grundbausteine lebenswichtiger „Zellen“, denselben Bestandteil: Kohlenstoff. Es ist eine große Herausforderung, mit herkömmlichen Methoden eine genaue Analyse der Stoffwechselprozesse von CNMs im Darm zu erreichen.
Um dieses Problem zu lösen, enthüllte das Forschungsteam die „Vergangenheit und Gegenwart“ von Kohlenstoffnanomaterialien in der Darmmikrobiota durch die Anwendung der stabilen Isotopen-13C-Markierungstechnologie, der Isotopen-Stoffwechselflussverfolgungstechnologie, der hochauflösenden Massenspektrometrie und der Mikrobiota-Gensequenzierung.
In dieser Arbeit fanden die Forscher zunächst heraus, dass die Darmmikrobiota zwei Arten von CNMs abbauen kann: einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) und Graphenoxide (GO). Durch das Screening der Darmmetaboliten zeigten sie, dass kurzkettige Fettsäuren im Darm von Mäusen, die per oraler Sondenernährung mit Kohlenstoffnanomaterialien behandelt wurden, signifikant zunahmen.
Mithilfe von mit dem stabilen Isotop 13C markiertem Graphitoxid und der Technologie zur Verfolgung des Stoffwechselflusses fanden sie heraus, dass CNMs wie Ballaststoffe sind und von der Darmmikrobiota als verfügbare Kohlenstoffquelle für den Abbau und die Fermentation genutzt werden können, die in den Pyruvat-Stoffwechselweg gelangt, um Butyrat zu erzeugen. Während dieses Prozesses waren verschiedene mikrobielle Enzyme, darunter Hexokinase, Pyruvatkinase, Pyruvatdehydrogenase und Butyratkinase, an der Fermentation von CNMs zu Butyrat beteiligt.
Die mikrobielle Gensequenzierung ergab, dass Butyrat produzierende Bakterien die dominierende Spezies sind, die CNMs zur Butyraterzeugung nutzt. Wichtig ist, dass überschüssiges Butyrat die Darmhomöostase beeinträchtigen kann.
Diese Studie klärt zum ersten Mal den gesamten Stoffwechselprozess von CNMs von der Quelle bis zum Ende und bricht damit die traditionelle Annahme, dass Mikroben nur Kohlenhydrate zur Synthese organischer Buttersäuremoleküle verwenden können. Die Forschung bestätigt, dass Darmmikroorganismen künstlich synthetisierte CNMs als Kohlenstoffquellen zur Erzeugung endogener organischer Metaboliten nutzen können, deckt das neue biologische Schicksal von CNMs im Wirt auf und liefert wichtige theoretische Unterstützung für die Erweiterung der Anwendungsszenarien von CNMs.
Mehr Informationen:
Xuejing Cui et al., Eine neue Kapazität der Darmmikrobiota: Fermentation von künstlich hergestellten anorganischen Kohlenstoff-Nanomaterialien zu endogenen organischen Metaboliten, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2218739120
Darmmikroben „fressen“ Nanopartikel – was zu Veränderungen im Mikrobiom führt, Natur (2023). DOI: 10.1038/d41586-023-01540-w