• Sequenziamento genico e composizione batterica
• Ricostruzione metagenomica del microbioma fecale
• Ricostruzione della funzionalità metabolica

Stato dell’arte
Nei maiali il passaggio dal latte al cibo solido altera la comunità batterica aumentando la capacità di trarre energia dai carboidrati.

Cosa aggiunge questa ricerca
Lo studio ha analizzato i cambiamenti metagenomici del microbioma intestinale di 48 maialini durante lo svezzamento, associandoli all’annotazione genica e alla funzionalità metabolica.

Conclusioni
Integrando dati di mappatura genica con quelli di metagenomica, sono stati identificati i batteri chiave nella degradazione di amido, fruttani e lattosio nei suini in svezzamento, offrendo spunti importanti per la messa a punto di diete a maggior impatto nutritivo e bilanciate sul microbioma.

Durante lo svezzamento, la comunità batterica e la funzionalità metabolica dei maialini cambia. In particolare, Firmicutes e Bacteroidetes giocano un ruolo fondamentale nella degradazione dell’amido, solo Bacteroidetes in quella dei fruttani, mentre Lactobacillus spp. per il lattosio.

È quanto risulta dal lavoro basato sull’integrazione di annotazione genica e metagenomica batterica condotto da Weilan Wang e colleghi della Huazhong Agricultural University, pubblicato su Microbiome.   

Nell’industria alimentare il processo di svezzamento è velocizzato e “forzato” per ragioni di tempo ed economiche. Il passaggio dal latte materno al cibo solido, carboidrati soprattutto, è quindi molto meno graduale di quanto avverrebbe fisiologicamente. Ciò impatta sulla comunità batterica intestinale in termini sia di composizione sia di funzionalità metabolica. Solo abbinando la mappatura genica con il profilo metagenomico è possibile apprezzarne i reali cambiamenti dipendenti dalla dieta e/o dal tempo. Tale approccio (in termini tecnici “binning”, da cui “bins” per i risultati ottenuti) è stato applicato per la prima volta dai ricercatori cinesi su 48 maialini in svezzamento e sottoposti casualmente a sei diverse diete ottenute addizionando a quella standard il 2% rispettivamente di:

• grano non fermentato
• grano fermentato
• grano fermentato con Lactobacillus casei K9-1 e Lactobacillus fermentum K9-2 o Lactobacillus reuteri TMW1.656 o L. reuteri TMW1.656ΔrtcN
• grano non fermentato e Lactobacillus casei K9-1 e Lactobacillus fermentum K9-2.

I campioni fecali sono stati raccolti il primo giorno di svezzamento e 7, 14, 21 giorni dopo.

Di seguito i principali risultati ottenuti dal sequenziamento genico (16S rRNA, n=191) e metagenomico (shotgun metagenomics, n=72) della componente batterica intestinale.

Sequenziamento genico e composizione batterica

Analizzando la composizione del microbioma in termini genetici è stato possibile determinare la sua evoluzione in risposta alla dieta e al periodo di svezzamento. Nel dettaglio:

• l’alpha diversity aumenta con lo svezzamento, raggiungendo la stabilità alla terza settimana
• il supplemento di lactobacilli probiotici non influisce sulla composizione batterica fecale. Di contro, nette differenze sono state evidenziate dall’analisi PCoA in base al tipo di grano (fermentato o no) e alla tempistica di raccolta dei campioni.

Ricostruzione metagenomica del microbioma fecale

La ricostruzione del genoma batterico da sequenze metagenomiche ha prodotto un totale di 596 bins, 360 identificati tassonomicamente al >70%, dei quali:

• 216 assegnati a Firmicutes, 96 a Bacteroidetes, 11 ad Actinobacteria e 16 a Proteobacteria
• 106 identificati anche a livello di genere o specie
• 175 hanno presentato abbondanze differenti in base al giorno. In particolare, 56 hanno registrato i valori maggiori il primo giorno, 64 sono incrementati con il tempo, solo Lactobacillus delbrueckii ha invece registrato una diminuzione
• gli enzimi degradanti l’amido sono stati ampiamente identificati nei genomi di Firmicutes e Bacteroidetes
• Di contro, pochi genomi hanno presentato enzimi per il metabolismo dei fruttani. Tra questi, Lactobacillus, Escherichia coli e alcuni Bacteroidales non classificati

• enzimi di degradazione per beta-glucani e arabinoxilani sono stati riscontrati in Bacteroidetes, Ruminococcus e Lachnospiraceae.

Ricostruzione della funzionalità metabolica

L’attenzione si è quindi spostata su amido, fruttani e lattosio con l’identificazione degli enzimi coinvolti nel loro metabolismo espressi da batteri. Nel complesso, Firmicutes e Bacteroidetes sono risultati quelli maggiormente implicati, anche se con distinti pathways metabolici per tutti e tre i nutrienti.

Infatti, per la degradazione dell’amido:

• il ceppo Firmicutes si basa sugli enzimi idrolasi (GlgB, in 191 bins dei 216 assegnati a questo ceppo) e pullulanasi (Amy12)
• il ceppo Bacteroidetes principalmente su GH97 e GH13, una minoranza anche su amilasi extracellulari (Amy1,4) o neopullulanase (SusG).

I fruttani sono invece catabolizzati soprattutto:

• da beta-fruttofuranosidasi intra- ed extracellulari (ScrA/ScrB, GH32 e Inu, GH68, FruA, GH32 rispettivamente) nei Firmicutes. Nel dettaglio, FruA, ScrB e Inu sono presenti solo nei lactobacilli, ma è risultato più espresso ScrA che si registra in Subdoligranulum variabile, Faecalibacterium prausnitzii, Eubacterium e in un non classificato Clostridiales
• nei Bacteroidetes dall’endo-fruttanasi (GH32) nella forma extracellulare (BT_1760), periplasmica (BT_3082) e intracellulare (BT_1765/54).

Infine, l’idrolisi del lattosio è stata identificata solo nei Firmicutes, fatta eccezione per Coriobacteriaceae. GH2 β-galactosidase (BbgI, LacM, and BbgIV) o GH42 β-galactosidase LacA sono gli enzimi espressi da 27 ceppi su 31 metabolizzanti il lattosio, membri di Lactobacillus, Subdoligranulum e Ruminococcus. Tra tutti, L. delbrueckii ha mostrato la maggiore capacità idrolizzante ma, al contempo, una diminuzione di abbondanza tempo-dipendente.

Riassumendo, dunque, lo studio ha permesso di mettere a punto un riferimento integrato di genomica e metagenomica batterica dei suini in svezzamento, dimostrando chiaramente l’importanza dei carboidrati come fonte di alterazione e i ceppi chiave per il loro metabolismo. Questa panoramica genetica e funzionale offre quindi spunti per ulteriori studi focalizzati sull’alimentazione animale, ma non solo. Potrebbe infatti facilitare la produzione di modelli animali adatti per comprendere al meglio la digestione dei carboidrati anche nell’uomo.