Sweetener specific modulation of physiological responses in uropathogenic Escherichia coli

Elke dag grijpen mensen over de hele wereld naar zoetstoffen om een hunkering te stillen zonder de calorieën van suiker. Van lightfrisdranken tot suikervrije desserts, deze additieven zijn een basis geworden in moderne diëten, gepromoot als een onschadelijke manier om gewicht en bloedsuikerspiegel te beheren. Toch verdwijnen deze stoffen niet simpelweg wanneer ze door het menselijk lichaam passeren. Een aanzienlijk deel van deze stoffen reist onveranderd door het spijsverteringsstelsel en verlaat het lichaam via de urine, om uiteindelijk terecht te komen in het milieu en de watersystemen die het leven in stand houden. Terwijl wetenschappers al lang bestuderen hoe deze chemicaliën het menselijk metabolisme beïnvloeden, is er een stillere vraag opgekomen: wat gebeurt er wanneer deze zoetstoffen in contact komen met de microscopische wereld van bacteriën? Het menselijke darmkanaal is de thuisbasis van biljoenen microben die een vitale rol spelen in de gezondheid, en onderzoekers beginnen zich af te vragen of de zoetstoffen die we consumeren mogelijk deze kleine gemeenschappen veranderen op manieren die we nog niet begrijpen.

In een recente studie onderzochten een team van onderzoekers de interactie tussen deze stoffen, waarbij zij zich concentreerden op een specifiek type bacterie dat bekend staat als uropathogene Escherichia coli, of UPEC. Dit zijn de stammen van E. coli die urineweginfecties veroorzaken, een veelvoorkomende en vaak pijnlijke aandoening. De wetenschappers kozen ervoor om twee zeer verschillende zoetstoffen te vergelijken: acesulfamekalium, een veelvoorkomende kunstmatige zoetstof die in veel dieetproducten wordt gevonden, en stevia, een natuurlijke zoetstof afkomstig van een plant. Ze wilden zien of deze chemicaliën, die voor mensen een vergelijkbare smaak hebben, verschillende reacties zouden uitlokken in de bacteriën die ziekte veroorzaken. Om dit te doen, kweekden ze deze bacteriën in een laboratoriumsetting, waarbij ze de bacteriën blootstelden aan de zoetstoffen en nauwlettend observeerden hoe de microben hun gedrag, hun groei en hun genetische activiteit veranderden.

De onderzoekers ontdekten dat de bacteriën niet op dezelfde manier op de twee zoetstoffen reageerden. Wanneer ze werden blootgesteld aan de kunstmatige zoetstof, werden de bacteriën aanzienlijk actiever in hun beweging. In de natuurlijke wereld gebruiken bacteriën kleine, zweepachtige staartjes genaamd flagellen om naar voedsel toe te zwemmen of weg te zwemmen van gevaar. De studie toonde aan dat de kunstmatige zoetstof fungeerde als een signaal, waardoor de bacteriën meer van deze staartjes aanmaakten en met grotere snelheid en doelgerichtheid zwommen. Deze toename in beweging was niet alleen een fysieke verandering; het werd gedreven door een enorme verschuiving in de genetische instructies van de bacteriën. De bacteriën zetten honderden genen aan die specifiek bedoeld zijn voor het zwemmen en het waarnemen van hun omgeving, waardoor ze effectief in vorm kwamen voor een reis.

In contrast hiermee lokte de natuurlijke zoetstof, stevia, een volkomen andere reactie uit. In plaats van de bacteriën sneller te laten zwemmen, leek stevia door de bacteriën te worden gebruikt als een bron van voedsel. Wanneer de onderzoekers de bacteriën in een voedingsarme omgeving plaatsten waar geen ander voedsel beschikbaar was, waren de bacteriën in staat om te groeien als stevia aanwezig was. Dit suggereerde dat de bacteriën de plantaardige zoetstof konden afbreken en konden gebruiken om hun eigen overleving te voeden. Deze metabole verschuiving ging echter niet gepaard met dezelfde toename in beweging. De bacteriën werden niet mobieler; in plaats daarvan richtten ze hun energie op het verwerken van de nieuwe voedselbron.

De studie onderzocht ook hoe deze zoetstoffen de bekwaamheid van bacteriën om biofilms te vormen beïnvloeden, wat kleverige gemeenschappen van bacteriën zijn die aan oppervlakken kleven en vaak moeilijker te behandelen zijn met medicijnen. De resultaten hiervan waren gemengd en hingen af van de specifieke bacteriestam die werd getest. Voor sommige stammen stimuleerde de kunstmatige zoetstof de vorming van deze beschermende biofilms, terwijl de natuurlijke zoetstof de vorming ervan leek te verminderen. Dit suggereert dat de twee chemicaliën op tegengestelde wijze interageren met de stressrespons van de bacteriën. De kunstmatige zoetstof leek de bacteriën te stressen, waardoor ze beschermende lagen opbouwden en agressiever bewogen, terwijl de natuurlijke zoetstof deze stressreacties leek te kalmeren, waardoor de bacteriën zich op groei konden richten.

Een cruciaal onderdeel van het onderzoek betrof het vergelijken van deze real-world bacteriën met een standaard laboratoriumstam die wetenschappers al decennia lang gebruiken. De onderzoekers ontdekten dat de laboratoriumbacteriën nauwelijks reageerden op de zoetstoffen. Ze bleven kalm en onveranderd, en vertoonden zeer weinig genetische activiteit als reactie op de chemicaliën. Deze bevinding benadrukt een aanzienlijk gat in het voorgaande onderzoek. Het suggereert dat de bacteriën die in het menselijk lichaam leven, die geëvolueerd zijn om te overleven in complexe en veranderende omgevingen, heel anders kunnen reageren op voedingsadditieven dan de tamme, in het laboratorium gekweekte versies. De klinische stammen die in deze studie werden gebruikt, vertoonden een veel dramatischer en gevarieerder reactievermogen, wat aangeeft dat de bacteriën die infecties bij mensen veroorzaken, veel gevoeliger kunnen zijn voor wat we eten dan voorheen werd aangenomen.

De wetenschappers onderzochten ook de interne stressniveaus van de bacteriën. Ze vonden dat de kunstmatige zoetstof zorgde voor een toename van reactieve zuurstofverbindingen, wat onstabiele moleculen zijn die cellen kunnen beschadigen. Deze stressreactie is vaak een teken dat de bacteriën onder vuur liggen of worstelen met aanpassing. De natuurlijke zoetstof veroorzaakte echter geen piek in deze stress; in sommige gevallen verlaagde het zelfs de niveaus van deze schadelijke moleculen. Dit verschil suggereert dat de kunstmatige zoetstof de bacteriën in een staat van hoge paraatheid kan dwingen, terwijl de natuurlijke zoetstof hen in staat stelt in een stabielere staat te blijven.

Uiteindelijk onthult de studie dat de bron van een zoetstof ertoe doet. Hoewel zowel stevia als acesulfamekalium worden gebruikt om suiker te vervangen, zenden ze zeer verschillende signalen naar de bacteriën die in ons lichaam leven. De kunstmatige zoetstof lijkt te fungeren als een trigger voor beweging en stress, wat bacteriën potentieel actiever en moeilijker te beheersen maakt. De natuurlijke zoetstof wordt daarentegen behandeld als een voedselbron, die groei ondersteunt zonder noodzakelijkerwijs de bewegingscapaciteit of de vorming van beschermende gemeenschappen te vergroten. Deze bevindingen betekenen niet dat de ene zoetstof veilig is en de andere gevaarlijk, maar ze tonen aan dat onze dieetkeuzes subtiele, specifieke effecten kunnen hebben op de microscopische wereld in ons. Nu deze chemicaliën in grote hoeveelheden worden geconsumeerd, wordt het begrijpen van hoe zij het gedrag van bacteriën beïnvloeden een belangrijk onderdeel van de puzzel in het behoud van de menselijke gezondheid.