O que acontece com a microbiota quando a alimentação é modificada?

Acredita-se que as recentes alterações nos padrões dietéticos, como a introdução de uma dieta ocidental rica em gorduras e açúcares, tenham alterado a composição e a atividade metabólica dos microrganismos que habitam o organismo humano, especialmente os da microbiota intestinal. Essas mudanças são consideradas como potenciais contribuintes para o aumento da incidência das doenças crônicas, como a obesidade e a doença inflamatória intestinal. No entanto, ainda não está claro com que rapidez e de forma reprodutível as bactérias intestinais respondem às alterações na dieta.

Por isso, David et al., (2013) investigaram se intervenções dietéticas podem alterar a microbiota intestinal de forma rápida e se essa modificação é específica para cada tipo de dieta. Para isso, os pesquisadores elaboraram duas dietas que diferiam de acordo com sua principal fonte alimentar: uma baseada em vegetais, rica em grãos, leguminosas, frutas e verduras; e a outra com alimentos de origem animal, composta por carnes, ovos e queijos.

Cada dieta foi consumida ad libitum durante cinco dias consecutivos por dez voluntários norte-americanos, sendo seis homens e quatro mulheres, com idades entre 21 e 33 anos e índice de massa corporal variando de 19 a 32 kg/m². Os participantes foram acompanhados por quatro dias antes de cada fase da intervenção para avaliar seus hábitos alimentares habituais (período basal) e por seis dias após cada fase para avaliar a recuperação da microbiota (período de washout). A coorte do estudo incluiu um vegetariano ao longo da vida.

Cada uma das intervenções dietéticas promoveu alterações significativas na ingestão de macronutrientes dos participantes. Na dieta baseada em alimentos de origem animal, tanto a proporção de gordura alimentar, quanto a de proteína aumentou. O consumo de fibras foi praticamente nulo, decaindo de acordo com os níveis basais. Na dieta baseada em vegetais, por outro lado, o consumo de fibras aumentou, enquanto a ingestão de gordura e proteína diminuiu. O peso corporal dos participantes permaneceu estável durante a dieta baseada em vegetais, mas apresentou redução significativa até o terceiro dia da dieta baseada em alimentos de origem animal. Essa perda de peso diferencial entre as duas dietas não pode ser explicada simplesmente pela ingestão energética, uma vez que os participantes consumiram quantidades semelhantes de calorias em ambas as intervenções.

Para caracterizar os padrões temporais da estrutura da microbiota, os pesquisadores realizaram o sequenciamento do gene do RNA ribossômico 16S em amostras coletadas diariamente ao longo do estudo. Embora não tenham sido detectadas diferenças significativas na diversidade α em nenhuma das dietas, foi observado um aumento significativo na diversidade β que foi exclusivo da dieta baseada em alimentos de origem animal. Essa alteração ocorreu apenas um dia após a dieta atingir a microbiota do intestino distal. Entretanto, a microbiota intestinal retornou à sua estrutura original dois dias após o término da dieta baseada em alimentos de origem animal.

A análise da abundância relativa dos grupos taxonômicos bacterianos reforçou a constatação de que a dieta baseada em alimentos de origem animal exerceu um impacto maior sobre a microbiota intestinal do que a baseada em vegetais. Os pesquisadores agruparam hierarquicamente os filótipos bacterianos em nível de espécie. As análises identificaram 22 agrupamentos cuja abundância se modificou significativamente durante a dieta baseada em alimentos de origem animal, enquanto apenas três apresentaram mudanças significativas durante o padrão dietético baseado em vegetais. O gênero Prevotella foi destacado. Esse apresentou redução no participante vegetariano durante o período em que consumiu a dieta baseada em alimentos de origem animal. Além disso, foi observado uma correlação positiva significativa entre a ingestão de fibras ao longo do ano anterior e os níveis basais de Prevotella na microbiota intestinal dos participantes.

Para identificar características funcionais que relacionavam os agrupamentos bacterianos favorecidos pela dieta baseada em alimentos de origem animal, foi selecionado o táxon mais abundante dos três agrupamentos com maior enriquecimento (Bilophila wadsworthia, Alistipes putredinis e uma espécie de Bacteroides). Para esses, foi realizada uma revisão da literatura sobre suas características ecológicas e fisiológicas. Essa busca revelou um tema comum: a resistência aos ácidos biliares.

A análise dos ácidos graxos de cadeia curta (AGCCs) presentes nas fezes e dos agrupamentos bacterianos sugeriu que as alterações nos macronutrientes das duas dietas também modificaram a atividade metabólica da microbiota intestinal. Em comparação com a dieta baseada em vegetais e com as amostras coletadas no período basal, a dieta baseada em alimentos de origem animal resultou em níveis significativamente mais baixos dos produtos da fermentação de carboidratos e em concentrações mais elevadas dos produtos da fermentação de aminoácidos.

Quando as concentrações de AGCCs dos participantes foram correlacionadas com a abundância, foram identificadas relações positivas significativas entre agrupamentos compostos por microrganismos putrefativos (isto é, A. putredinis e espécies de Bacteroides) e AGCCs que representam os produtos finais da fermentação de aminoácidos. Ademais, foram observadas correlações positivas significativas entre agrupamentos compostos por microrganismos sacarolíticos (capazes de degradar e fermentar carboidratos), como Roseburia, Eubacterium rectale e Faecalibacterium prausnitzii e os produtos resultantes da fermentação de carboidratos.

Esses resultados indicaram que mudanças rápidas na composição da dieta não apenas alteraram quais microrganismos predominaram no intestino, mas também modificaram profundamente as funções metabólicas desempenhadas pela microbiota. Em particular, uma dieta rica em alimentos de origem animal favoreceu bactérias adaptadas a ambientes com alta concentração de ácidos biliares e associadas ao metabolismo de proteínas e aminoácidos, enquanto um padrão dietético rico em vegetais favoreceu bactérias especializadas na fermentação de carboidratos complexos e fibras.

Para testar se as alterações observadas na estrutura da microbiota e nos produtos finais do metabolismo eram acompanhadas por mudanças mais amplas no microbioma intestinal, os pesquisadores mediram a expressão gênica microbiana por meio de sequenciamento de RNA (RNA-seq). Foi analisado um subconjunto de amostras, abrangendo os períodos basais e os dois últimos dias de cada intervenção dietética. Foram identificados diversos módulos metabólicos e vias biológicas diferencialmente expressos durante as intervenções. A dieta baseada em alimentos de origem animal foi associada ao aumento da expressão de genes relacionados à:

·       Biossíntese de vitaminas (Fig. 3c);

·       Degradação de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAPs), compostos carcinogênicos produzidos durante o processo de carbonização da carne;

·       Expressão de genes de β-lactamase, enzimas associadas à resistência a determinados antibióticos.

Em seguida, os pesquisadores agruparam hierarquicamente as amostras do microbioma. Os resultados indicaram que a expressão gênica global da microbiota foi fortemente associada à dieta do hospedeiro. Quase todas as amostras puderam ser agrupadas corretamente de acordo com o tipo de dieta consumida, apesar das diferenças individuais previamente observadas durante o período basal. Ainda assim, os participantes mantiveram suas características individuais quando a microbiota foi analisada sob o ponto de vista taxonômico.

Foi demonstrado ainda que a dieta baseada em alimentos de origem animal favoreceu o catabolismo de aminoácidos, pela abundância de proteína. Em contrapartida, a dieta herbívora favoreceu a produção de fosfoenolpiruvato (PEP) para a síntese de aminoácidos aromáticos quando a disponibilidade de proteínas foi limitada. Em todas as 14 etapas dessas vias metabólicas, observaram-se alterações na expressão gênica durante as dietas vegetal e animal cujas direções coincidiam com as diferenças previamente descritas entre herbívoros e carnívoros.

Esses resultados sugeriram que o microbioma intestinal foi capaz de alternar rapidamente entre perfis funcionais semelhantes aos observados em animais herbívoros e carnívoros. Segundo os autores, essa flexibilidade pode refletir pressões seletivas ocorridas ao longo da evolução humana. O consumo de alimentos de origem animal provavelmente variava conforme a estação do ano e o sucesso na obtenção de recursos, enquanto os alimentos vegetais funcionavam como uma fonte alternativa mais disponível de energia e nutrientes. Nesse contexto, comunidades microbianas capazes de adaptar rapidamente suas funções metabólicas às mudanças na dieta teriam aumentado a flexibilidade alimentar humana. Atualmente, essa capacidade pode ainda se manifestar na ampla diversidade de padrões alimentares observados em diferentes populações.

Os pesquisadores também investigaram se, além de modificar a microbiota residente, as dietas poderiam introduzir microrganismos exógenos no intestino distal. Utilizando o sequenciamento do gene rRNA 16S, identificaram bactérias provenientes dos próprios alimentos consumidos. Os queijos e carnes curadas incluídos na dieta animal eram dominados por bactérias ácido-láticas frequentemente utilizadas como culturas iniciadoras de alimentos fermentados, incluindo Lactococcus lactis, Pediococcus acidilactici e Streptococcus thermophilus. Também foram encontrados diversos táxons de Staphylococcus, gênero frequentemente utilizado na produção de embutidos fermentados. Esse achado demonstrou que bactérias presentes em alimentos fermentados conseguiram atravessar o trato gastrointestinal e alcançar o intestino em abundâncias suficientemente elevadas para serem detectadas pelos métodos de sequenciamento utilizados.

Também foi realizado o sequenciamento da região Internal Transcribed Spacer (ITS) do operon de rRNA a partir do DNA microbiano extraído de amostras de alimentos e fezes para investigar a relação entre a dieta e os fungos intestinais. Os alimentos incluídos em ambas as dietas apresentavam colonização por fungos dos gêneros Candida, Debaryomyces, Penicillium e Scopulariopsis, microrganismos frequentemente encontrados em alimentos fermentados. Uma espécie de Penicillium e uma espécie de Candida foram consumidas em quantidades suficientemente elevadas durante as dietas baseada em alimentos de origem animal e baseada em vegetais, respectivamente, para produzir aumentos significativos das sequências ITS correspondentes durante essas intervenções dietéticas.

Experimentos de cultivo microbiano e uma reanálise dos dados de RNA-seq sugeriram que os microrganismos provenientes dos alimentos sobreviveram à passagem pelo trato digestório e podem ter permanecido metabolicamente ativos no intestino. O mapeamento das leituras de RNA-seq revelou um aumento significativo de transcritos provenientes de bactérias associadas aos alimentos e também de fungos alimentares.

De maneira interessante, os pesquisadores também detectaram transcritos de RNA provenientes de diversos vírus de plantas. Um desses patógenos vegetais, o Rubus chlorotic mottle virus, foi detectado exclusivamente durante a dieta baseada em vegetais. Os resultados reforçaram a hipótese de que patógenos vegetais podem alcançar o intestino humano por meio do consumo de alimentos de origem vegetal.

Por fim, os autores verificaram que as alterações da microbiota observadas durante a dieta baseada em alimentos de origem animal estavam relacionadas a mudanças no perfil de ácidos biliares fecais e possivelmente ao risco de doenças intestinais humanas. Estudos recentes em camundongos haviam demonstrado que dietas ricas em gordura elevaram as concentrações intestinais de ácido desoxicólico (DCA), um ácido biliar secundário que promove o desenvolvimento de câncer hepático. No presente estudo, a dieta baseada em alimentos de origem animal aumentou significativamente os níveis fecais de DCA. Além disso, a expressão dos genes bacterianos que codificam hidrolases de sais biliares, enzimas necessárias para a produção microbiana intestinal de DCA, também foi significativamente maior durante a dieta animal. Os níveis elevados desse microrganismo, por sua vez, ter contribuído para as alterações observadas na microbiota, uma vez que esse ácido biliar é capaz de inibir o crescimento de membros dos filos Bacteroidetes e Firmicutes.

Em conjunto, esses achados demonstram que uma dieta rica em alimentos de origem animal não apenas modificou rapidamente a composição e a atividade metabólica da microbiota intestinal, mas também:

·       introduziu microrganismos provenientes dos alimentos no intestino;

·       favoreceu a sobrevivência e possível atividade metabólica desses microrganismos;

·       alterou profundamente a expressão gênica do microbioma;

·       aumentou a produção de ácidos biliares secundários potencialmente associados a doenças;

·       promoveu um perfil funcional da microbiota semelhante ao observado em mamíferos carnívoros.

Os resultados reforçaram a notável capacidade de adaptação do microbioma humano às mudanças alimentares, mostrando que transformações significativas podem ocorrer em apenas alguns dias de intervenção dietética.