Construction and Characterization of an mCherry-Labeled Lactiplantibacillus plantarum L3 Strain for Intestinal Distribution Studies

Per capire dove vada un probiotico dopo essere stato ingerito, gli scienziati devono affrontare un problema difficile: l'intestino umano è un ambiente buio, affollato e complesso. All'interno, miliardi di batteri naturali vivono e lavorano, rendendo quasi impossibile distinguere tra i batteri benefici che una persona assume come integratore e quelli che sono sempre vissuti lì. Per risolvere questo problema, i ricercatori spesso cercano di marcare i batteri che introducono con un segnale visibile, molto simile al mettere un piccolo adesivo luminoso su un animale specifico in una foresta buia per tracciarne il percorso. Ciò consente loro di vedere esattamente dove viaggiano i batteri introdotti e quanto tempo rimangono. Tuttavia, l'aggiunta di un marchio può talvolta cambiare il modo in cui si comportano i batteri, e non è sempre chiaro se i batteri luminosi possano sopravvivere al duro viaggio attraverso lo stomaco e l'intestino per un lungo periodo.

Un team di ricercatori dell'Università di Heilongjiang, in Cina, si è posto l'obiettivo di creare una versione di un comune batterio probiotico, noto come Lactiplantibacillus plantarum L3, che potesse brillare di rosso. Volevano vedere se fossero in grado di far trasportare a questo batterio un gene che produce una proteina fluorescente rossa, una sostanza che brilla sotto una luce specifica, senza danneggiare la capacità del batterio di crescere o sopravvivere. Volevano anche osservare dove andasse questo batterio luminoso all'interno dell'intestino di topi dopo essere stato somministrato loro per un breve periodo rispetto a un lungo periodo. L'obiettivo era costruire uno strumento affidabile per osservare il movimento dei batteri nell'intestino, controllando attentamente se il marchio luminoso cambiasse le abilità naturali del batterio.

Gli scienziati iniziarono inserendo un pezzo specifico di materiale genetico nel batterio. Questo materiale conteneva le istruzioni per produrre la proteina fluorescente rossa, insieme a un interruttore che permetteva ai ricercatori di attivare la luminosità solo quando desideravano. Crearono con successo una nuova versione del batterio, che chiamarono mCherry-L3. Quando testarono questo nuovo ceppo, scoprirono che brillava di un rosso intenso e chiaro sotto il microscopio, proprio come speravano. La forma dei batteri rimaneva la stessa, con l'aspetto di piccoli bastoncelli, e crescevano alla stessa velocità dei batteri originali non modificati. Questa fu una scoperta cruciale, poiché significava che il marchio luminoso non rallentava i batteri né ne cambiava la struttura fondamentale. I ricercatori verificarono anche se i batteri potessero sopravvivere a un viaggio simulato attraverso il sistema digestivo umano, passando attraverso condizioni che mimano la saliva, l'acido gastrico, la bile e i fluidi intestinali. I batteri luminosi sopravvissero a questi test altrettanto bene come quelli originali, dimostrando che il marchio non li rendeva più fragili.

Tuttavia, i ricercatori notarono un cambiamento nel comportamento dei batteri. Sebbene i batteri luminosi fossero ancora in grado di combattere diversi tipi di germi nocivi, divennero significativamente meno efficaci nel fermare un germe specifico chiamato Staphylococcus aureus. Ciò suggeriva che, sebbene i batteri rimanessero sani e robusti, il processo di produzione della loro luminosità avesse alterato una delle loro specifiche difese chimiche. Nonostante questo piccolo cambiamento, i batteri luminosi si dimostrarono molto stabili. I ricercatori li coltivarono in laboratorio per 98 generazioni, il che è come passare i batteri attraverso quasi cento famiglie. Anche dopo tutto questo tempo, i batteri brillavano ancora di rosso e le istruzioni genetiche per la luminosità rimanevano intatte. Ciò confermò che i batteri potevano trasportare il marchio luminoso per un lungo periodo senza perderlo.

Per vedere dove andassero questi batteri in un corpo vivente, il team ha somministrato i batteri luminosi ai topi. Hanno diviso i topi in due gruppi: un gruppo ha ricevuto i batteri per quattro giorni, e l'altro gruppo li ha ricevuti quotidianamente per otto settimane. Dopo che la somministrazione è terminata, gli scienziati hanno esaminato l'intestino dei topi. Nei topi che erano stati nutriti per soli quattro giorni, il bagliore rosso era più forte nella prima parte dell'intestino tenue, nota come duodeno, con una leggera luminosità visibile anche nell'intestino crasso e in una sezione chiamata cieco. Ciò ha dimostrato che i batteri avevano raggiunto con successo l'intestino ed erano presenti in diverse aree.

Nei topi che erano stati nutriti per otto settimane, il quadro era diverso. Il bagliore rosso non era presente in uno o due punti; appariva distribuito in modo molto più ampio in tutto l'apparato intestinale. La luce sembrava più uniforme e diffusa in tutto il sistema. Questa osservazione suggeriva che, con la somministrazione ripetuta per un lungo periodo, i batteri erano presenti in numeri maggiori in tutto l'intestino. Tuttavia, i ricercatori furono attenti a spiegare ciò che questo non dimostrava. Poiché i topi venivano ancora nutriti con i batteri al momento dell'esame, la luce rossa mostrava dove si trovavano i batteri in quel preciso istante, ma non provava che i batteri si fossero stabiliti in modo permanente o che sarebbero rimasti lì se la somministrazione fosse stata interrotta. Lo studio ha mostrato che i batteri potevano essere tracciati e che si diffondevano maggiormente con una somministrazione più lunga, ma non ha confermato che avessero stabilito una dimora permanente nell'intestino.

Il lavoro fornisce un metodo chiaro e utile per osservare come i batteri probiotici si muovano attraverso il sistema digerente. Creando un batterio che brilla di rosso senza cambiare le sue capacità di crescita o di sopravvivenza, i ricercatori hanno dato agli scienziati un nuovo modo per visualizzare l'ambiente intestinale. Lo studio ha dimostrato che, sebbene i batteri luminosi si comportassero quasi esattamente come gli originali, avevano perso una piccola parte della loro capacità di combattere un tipo specifico di germe. I risultati hanno inoltre evidenziato che la posizione e la diffusione dei batteri dipendono da quanto a lungo vengono somministrati, con un periodo di somministrazione più lungo che porta a una distribuzione più ampia. Sebbene lo studio non abbia determinato se questi batteri potessero colonizzare permanentemente l'intestino o se potessero fornire benefici per la salute a lungo termine, ha dimostrato con successo un modo affidabile per tracciarli, offrendo una base per la ricerca futura su come i batteri interagiscono con il corpo umano.