Hệ vi sinh vật đường ruột và sự tiến hóa của não: Những hiểu biết mới

Các nhà nghiên cứu tiết lộ cách vi khuẩn đường ruột định hình các chiến lược trao đổi chất để thúc đẩy não lớn hơn, cung cấp cái nhìn sâu sắc về sinh học tiến hóa của loài linh trưởng.

Mô hình giả định về ảnh hưởng của vi khuẩn lên quá trình trao đổi chất của các loài linh trưởng có EQ cao và EQ thấp. Phát hiện của chúng tôi chỉ ra các con đường trung gian do vi khuẩn mà qua đó quá trình trao đổi chất của các loài linh trưởng có EQ cao thiên về sản xuất năng lượng và quá trình trao đổi chất của các loài linh trưởng có EQ thấp thiên về dự trữ năng lượng.

Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Microbial Genomics , các nhà nghiên cứu tại Hoa Kỳ đã điều tra vai trò của hệ vi sinh vật đường ruột trong việc ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất của vật chủ ở các loài, tập trung vào các loài linh trưởng có kích thước não khác nhau. Họ đã chuyển hệ vi sinh vật đường ruột từ người, khỉ sóc và khỉ macaque sang chuột không có vi khuẩn và nghiên cứu cách các cộng đồng vi khuẩn đóng góp vào các đặc điểm trao đổi chất có thể liên quan đến nhu cầu năng lượng và quá trình tiến hóa của não.

Cơ sở nghiên cứu

Bộ não lớn tiêu tốn năng lượng, đặc biệt là ở loài linh trưởng, nơi kích thước não thường tương quan với nhu cầu trao đổi chất tăng lên. Con người, với kích thước não so với cơ thể lớn nhất trong số các loài linh trưởng, cho thấy sự thích nghi như chuyển hóa glucose cao hơn để duy trì các cơ quan tiêu tốn nhiều năng lượng này. Tuy nhiên, các cơ chế thúc đẩy các biến thể trao đổi chất như vậy giữa các loài vẫn chưa được hiểu rõ.

Nghiên cứu hiện tại đã báo cáo sự tham gia của các yếu tố di truyền và biểu sinh trong các biến thể chuyển hóa này, nhưng mối liên hệ của chúng với quá trình chuyển hóa toàn thân vẫn chưa rõ ràng. Hệ vi sinh đường ruột là một cơ quan điều hòa quan trọng của quá trình chuyển hóa vật chủ và sản xuất các chất chuyển hóa như axit béo chuỗi ngắn (SCFA) ảnh hưởng đến quá trình dự trữ năng lượng, sản xuất glucose và chuyển hóa chất béo. Hơn nữa, trong khi vai trò của nó trong các bệnh chuyển hóa, bao gồm cả bệnh tiểu đường, đã được công nhận, thì sự đóng góp của nó vào sự khác biệt về chuyển hóa giữa các loài, đặc biệt là liên quan đến nhu cầu năng lượng của não, vẫn chưa được khám phá nhiều.

Về Nghiên cứu

Trong nghiên cứu hiện tại, các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng sự khác biệt trong hệ vi khuẩn đường ruột làm trung gian cho các chiến lược trao đổi chất và cân bằng nhu cầu năng lượng cho chức năng não so với nhu cầu năng lượng cho sự tăng trưởng và duy trì ở các loài linh trưởng có kích thước não khác nhau. Các nhà nghiên cứu đã tiến hành một thí nghiệm sử dụng chuột không có vi khuẩn để tìm hiểu cách hệ vi khuẩn đường ruột ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất ở vật chủ có kích thước não khác nhau.

Hệ vi khuẩn đường ruột của ba loài linh trưởng, con người, khỉ sóc và khỉ macaque, đã được cấy ghép vào những con chuột không có vi khuẩn để đánh giá tác động của sự khác biệt về vi khuẩn đối với quá trình trao đổi chất của vật chủ. Con người và khỉ sóc được chọn là loài “ưu tiên não” do kích thước não lớn hơn so với kích thước cơ thể, trong khi khỉ macaque được dùng để so sánh với tỷ lệ kích thước não so với cơ thể thấp hơn.

Các mẫu phân từ những con linh trưởng trưởng thành khỏe mạnh, không có kháng sinh, đã được thu thập, xử lý và sử dụng để tiêm chủng cho những con chuột không có mầm bệnh bằng đường uống theo chế độ ăn chuẩn trong 60 ngày. Đánh giá hàng tuần bao gồm đo cân nặng, lượng thức ăn tiêu thụ và đánh giá chuyển hóa, với các mẫu phân và máu được thu thập để phân tích hệ vi sinh vật và chất chuyển hóa. Một xét nghiệm dung nạp glucose đã được thực hiện để đo lường sự điều hòa glucose và những con chuột đã được chụp cộng hưởng từ để đánh giá sự phân bố mỡ trong cơ thể.

Các nhà nghiên cứu cũng sử dụng phân tích metagenomic và metabolomic để xác định các con đường vi khuẩn và chất chuyển hóa cụ thể góp phần vào các đặc điểm chuyển hóa của vật chủ. Hình ảnh độ phân giải cao và giải trình tự axit ribonucleic (RNA) của mô gan cung cấp thông tin chi tiết về phản ứng chuyển hóa đặc hiệu của cơ quan. Thành phần vi khuẩn trong ruột chuột được phân tích thông qua giải trình tự axit ribonucleic ribosome 16S (rRNA), trong khi các kỹ thuật metagenomic định lượng sản xuất SCFA và các con đường chức năng của vi khuẩn.

Kết quả nghiên cứu

Kết quả cho thấy hệ vi sinh vật đường ruột ảnh hưởng đáng kể đến quá trình trao đổi chất của vật chủ theo cách phù hợp với kích thước não của loài linh trưởng. Chuột được tiêm vi khuẩn đường ruột từ các loài có kích thước não so với cơ thể lớn, chẳng hạn như người và khỉ sóc, biểu hiện mức tiêu hao năng lượng tăng lên, mức glucose lúc đói cao hơn và tăng cường quá trình tân tạo glucose. Ngược lại, chuột được tiêm vi khuẩn đường ruột từ khỉ đuôi dài cho thấy sự tích tụ mỡ và tăng cân nhiều hơn.

Hơn nữa, những con chuột có hệ vi sinh vật từ các loài có kích thước não lớn hơn tiêu thụ nhiều thức ăn hơn nhưng có tỷ lệ mỡ cơ thể thấp hơn và tăng cân chậm hơn. Nồng độ SCFAs cao, chẳng hạn như acetate và propionate, cũng được quan sát thấy ở những con chuột này, cho thấy sự đóng góp của vi khuẩn vào việc tăng sản xuất glucose và giảm lưu trữ chất béo.

Phân tích metagenomic cho thấy các con đường vi khuẩn liên quan đến sản xuất năng lượng, chẳng hạn như chuyển hóa fucose và pyruvate, có nhiều hơn ở hệ vi sinh vật có kích thước não-cơ thể lớn. Ngoài ra, biểu hiện của các gen liên quan đến chức năng gan ở những con chuột này cho thấy sự phong phú cho các con đường liên quan đến sản xuất năng lượng, chẳng hạn như chuyển hóa lipid và tân tạo glucose. Những thay đổi này chỉ ra chương trình chuyển hóa nhằm mục đích ưu tiên năng lượng cho chức năng não.

Ngược lại, những con chuột được tiêm vi khuẩn ở khỉ biểu hiện các con đường vi khuẩn có lợi cho việc lưu trữ năng lượng. Hệ vi khuẩn của chúng tạo ra nồng độ SCFA thấp hơn và biểu hiện các chức năng phù hợp với sự lắng đọng chất béo và giảm sản xuất glucose. Những khác biệt này cho thấy sự đánh đổi giữa việc phân bổ năng lượng cho não so với mô mỡ.

Điều thú vị là những con chuột được tiêm vi khuẩn đường ruột ở người cho thấy các đặc điểm chuyển hóa độc đáo, với mức glucose và propionate lúc đói cao nhất, phù hợp với nhu cầu năng lượng não bộ đặc biệt của con người. Mặc dù tiêu thụ nhiều thức ăn hơn, những con chuột này chỉ tăng cân rất ít, điều này càng nhấn mạnh thêm vai trò của vi khuẩn đường ruột trong việc điều hòa chuyển hóa. Nhìn chung, kết quả làm nổi bật khả năng điều chỉnh các chiến lược phân bổ năng lượng của vật chủ của hệ vi khuẩn đường ruột, phản ánh nhu cầu chuyển hóa của kích thước não bộ của loài vật chủ và nhu cầu năng lượng liên quan.

Kết luận :

Để kết luận, nghiên cứu đã chứng minh vai trò quan trọng của hệ vi sinh vật đường ruột trong việc định hình các chiến lược trao đổi chất của vật chủ và hỗ trợ nhu cầu năng lượng của bộ não lớn hơn ở loài linh trưởng. Các phát hiện cho thấy rằng cộng đồng vi khuẩn ảnh hưởng đến quá trình sản xuất glucose, dự trữ chất béo và phân bổ năng lượng, cung cấp thông tin chi tiết về sự thích nghi tiến hóa trong kích thước não.

Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng phát hiện của họ cung cấp nền tảng để khám phá cách hệ vi sinh vật đóng góp vào các đặc điểm lịch sử cuộc sống đặc trưng của loài, chẳng hạn như tăng trưởng, sinh sản và tuổi thọ. Các nghiên cứu trong tương lai có thể điều tra tương tác giữa hệ vi sinh vật và vật chủ trong giai đoạn phát triển ban đầu khi nhu cầu năng lượng của não đạt đỉnh.