&bala; Física 18, 121
Um modelo biofísico lança luz sobre como a interação sutil da dinâmica de fluidos e o crescimento bacteriano controla a população flutuante de micróbios no intestino humano.
O corpo humano abriga um grande número de bactérias – cerca de tantas células humanas – a maioria das quais estão localizadas no intestino, principalmente no cólon. Juntos, diversos microorganismos, incluindo múltiplas espécies e cepas de bactérias, constituem a microbiota intestinal, que se pensa desempenhar um papel central na saúde humana, afetando a resposta imune e a progressão de diferentes doenças. No entanto, apesar de um vasto corpo de estudos de microbiota baseado no sequenciamento de genes e em experimentos com modelos animais, a dinâmica das populações microbianas no intestino humano permanece pouco compreendida. Alinaghi Salari, da Universidade de Toronto, e James Cremer, da Universidade de Stanford, propuseram agora um modelo biofísico do ambiente intestinal que incorpora um amplo conjunto de características do intestino grosso humano (1). Usando o modelo, os pesquisadores identificam como diferentes fatores – suprimento e digestão sobre nutrientes, crescimento bacteriano e transporte de biomassa flutuando ao longo do dia – afetam a dinâmica geral da população de microbiota intestinal (Fig. 1).
A microbiota intestinal interage de maneira complexa com o corpo de um humano ou outro animal. Além de ajudar o hospedeiro a digerir alimentos, a microbiota está envolvida na maturação do sistema imunológico do hospedeiro e afeta a proliferação das células do hospedeiro, bem como a sinalização neurológica. A composição da microbiota intestinal pode ter um impacto importante na saúde do hospedeiro: algumas anomalias de composição estão associadas a doenças como obesidade e diabetes tipo 2. A microbiota intestinal também está conectada a um grande problema de saúde pública: o desenvolvimento da resistência a antibióticos, tanto em humanos quanto em gado. Os tratamentos antibióticos orais podem promover o crescimento de cepas resistentes a antibióticos na microbiota, e os genes de resistência a antibióticos podem ser transferidos de uma espécie bacteriana para outra dentro da microbiota. Dadas implicações tão importantes, o estudo da microbiota intestinal é uma área de pesquisa extremamente ativa.
As bactérias intestinais consomem alimentos, crescem, interagem e evoluam em seu ambiente pure. Compreender essa interação é a chave para determinar o que controla a composição da microbiota intestinal e pode ser útil no projeto de intervenções que modificam essa composição para melhorar a saúde do host. O ambiente intestinal é complexo do ponto de vista físico. Possui um fluxo hidrodinâmico direcional geral ao longo do eixo principal do intestino, à medida que o conteúdo do intestino avança gradualmente, com a maioria das bactérias sendo transportadas ao longo desse fluxo. Outra característica da hidrodinâmica intestinal é a mistura e recirculação causadas por contrações dos músculos ao redor do intestino. Esses movimentos promovem a digestão. As concentrações de alimentos e bactérias também exibem gradientes fortes ao longo do eixo principal do intestino. Depois que os alimentos entram a montante, os nutrientes simples são absorvidos pelo corpo e, em seguida, moléculas mais complexas são divididas por bactérias, que por sua vez dividem e se tornam mais numerosas. Eventualmente, o alimento restante sai do sistema, juntamente com muitas bactérias. Além disso, o ambiente intestinal apresenta uma importante variabilidade temporal, uma vez que os alimentos são consumidos nas refeições e os movimentos intestinais também ocorrem em horários discretos. Atualmente, os modelos baseados em física estão desempenhando um papel elementary na compreensão de como esse ambiente intestinal complexo molda a abundância, composição e dinâmica da microbiota. Em specific, há uma forte necessidade de modelos teóricos que esclarecem o impacto de cada fator ambiental na microbiota.
O novo trabalho de Salari e Cremer se baseia em modelos pioneiros da microbiota intestinal anteriormente desenvolvidos por Cremer e colegas. Tais modelos foram responsáveis pelo acoplamento de crescimento microbiano e dinâmica de fluidos no intestino (2Assim, 3) e deu informações sobre como os gradientes de concentrações de alimentos e nutrientes são estabelecidos no intestino. O novo modelo de Salari e Cremer é mais completo. Por um lado, leva em conta explicitamente a dimensão radial do intestino – visualizada como um cilindro – assim como as variações dinâmicas do raio induzidas pelas contrações musculares, o que torna o intestino expansível. Dentro deste modelo, os pesquisadores investigam o impacto do ambiente intestinal na população de bactérias intestinais, realizando simulações com base em métodos de elementos finitos (Fig. 2). Eles identificam vários fatores que juntos possibilitam o cólon proximal (a primeira e a parte média do cólon) para manter uma população microbiana alta, mas variável. Tais fatores incluem a ingestão de alimentos dependentes do tempo (o consumo de três refeições durante o dia), o quantity expansível do intestino, os movimentos de massa periódicos do conteúdo intestinal e a presença de uma estrutura semelhante a uma bolsa protegida do fluxo principal (conhecido na anatomia como Cecum). Curiosamente, a menos que esses ingredientes físicos sejam considerados juntos, as simulações preverão a deterioração da população bacteriana, que não é consistente com as observações. Contabilizar todos esses fatores físicos simultaneamente é claramente a chave para recuperar os recursos observados na biologia.
As idéias sobre os principais ingredientes biofísicos que afetam a dinâmica do crescimento microbiano fornecem uma janela sobre como a fisiologia do host pode controlar esse crescimento microbiano. Tais novos insights abrem muitas direções para investigações mais fundamentais e aplicadas, incluindo potencialmente o projeto de intervenções médicas que visam a microbiota intestinal. Em specific, a pesquisa pode ter implicações importantes para o estudo da ecologia das bactérias intestinais e de suas interações (entre si e com o hospedeiro). Uma conclusão importante envolve bactérias que dependem da alimentação cruzada (ou seja, se alimentam de produtos do metabolismo de outras espécies bacterianas que quebram os nutrientes complexos produzidos pela fermentação no cólon). O novo modelo de Salari e Cremer sugere que essas bactérias não podem se acumular com eficiência devido ao seu crescimento mais lento. Assim, a maioria desses nutrientes permanece disponível para o host como fonte de energia.
Finalmente, o trabalho tem implicações importantes para entender a evolução darwiniana da microbiota intestinal. Especificamente, os pesquisadores avaliam o tamanho da população “eficaz” (número de bactérias) que resulta de seu modelo. Esse número, que representa o tamanho de uma população equivalente e bem misturada que não varia no tempo, é um indicador importante de como os mutantes assumem a população bacteriana no intestino (4Assim, 5). As novas estimativas correspondem a um tamanho eficaz da população menor que o esperado – uma encontrando relevante para nossa compreensão da diversidade bacteriana e rotatividade de espécies e ao desenvolvimento de modelos de evolução mais detalhados na microbiota intestinal.
Referências
- A. Salari e J. Cremer, “Variações diurnas na dinâmica microbiana de digestão e fluxo no intestino”. Vida prx 3023012 (2025).
- J. Cremer et al.“Efeito do fluxo e da mistura peristáltica no crescimento bacteriano em um canal semelhante ao intestino”. Proc. Natl. Acad. Sci. EUA 11311414 (2016).
- J. Cremer et al.“Efeito do fluxo de água e do ambiente químico no crescimento e composição da microbiota no cólon humano”. Proc. Natl. Acad. Sci. EUA 1146438 (2017).
- D. Labavić et al.“Fluxo hidrodinâmico e gradientes de concentração no intestino aumentam a diversidade bacteriana neutra”. Proc. Natl. Acad. Sci. EUA 119 (2021).
- Om Ghosh e Bh Bom, “Forças Evolucionárias Emergentes em Modelos Espaciais de Crescimento Luminal e sua aplicação à microbiota intestinal humana”. Proc. Natl. Acad. Sci. EUA 119 (2022).
