I microbi intestinali sono l'organo bersaglio principale dei nanomateriali che entrano nell'intestino e, in quanto "organo" più segreto del corpo umano, i processi biologici metabolici controllati dai microbi intestinali determinano il destino finale dei nanomateriali di carbonio esogeni nell'ospite.
Tuttavia, i nanomateriali di carbonio e molti componenti dell'intestino, come gli alimenti, i carboidrati, le proteine e i lipidi, nonché l'elemento base della vita, la "cellula", contengono lo stesso elemento costitutivo, il carbonio, e i metodi analitici tradizionali non possono analizzare con precisione la trasformazione metabolica dei nanomateriali di carbonio nell'intestino. L'analisi della trasformazione metabolica dei nanomateriali di carbonio nell'intestino non è possibile con i metodi tradizionali.
Recentemente, il gruppo di Chunying Chen del National Center for Nanoscience ha compiuto importanti progressi nella fermentazione di nanomateriali di carbonio sintetici in metaboliti organici endogeni da parte dei microbi intestinali. I risultati della ricerca sono stati pubblicati nei Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America con il titolo A new capacity of gut microbiota: fermentation of engineered inorganic carbon nanomaterials into endogenous organic metabolites. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2023, 120(20), e2218739120.
Per affrontare le principali sfide nello studio del comportamento metabolico dei materiali di carbonio in vivo, il team di ricerca ha messo a punto un metodo analitico innovativo che prevede l'etichettatura dello scheletro con isotopi stabili 13C e la tracciatura isotopica del flusso metabolico per risolvere chiaramente la "vita passata" dei nanomateriali di carbonio nei microbi intestinali.
In questo lavoro, il team ha scoperto per la prima volta che i microrganismi intestinali possono degradare due nanomateriali di carbonio sintetici: nanotubi di carbonio a parete singola e ossido di grafene. Esaminando i metaboliti di entrambi i nanomateriali di carbonio nell'intestino dell'ospite dopo l'esposizione orale, abbiamo scoperto che il contenuto di acidi grassi a catena corta, come l'acido acetico e l'acido butirrico, era significativamente elevato.
È stato inoltre sviluppato un nuovo metodo di tracciamento isotopico del flusso metabolico per l'ossido di grafene, al fine di analizzare e identificare i prodotti dell'intera catena metabolica dalla degradazione dell'ossido di grafene 13C all'acido butirrico 13C attraverso la via del piruvato 13C (ossido di grafene 13C - glucosio 13C - piruvato 13C - acido acetico 13C - acido butirrico); è stato confermato che i nanomateriali di carbonio simili alle fibre alimentari possono essere utilizzati come fonte di carbonio dai microrganismi intestinali, subire la degradazione e la fermentazione ed entrare nella via metabolica del piruvato per produrre infine acido butirrico attraverso il meccanismo metabolico.
Una varietà di enzimi metabolici microbici chiave, tra cui esochinasi, piruvato chinasi, piruvato deidrogenasi e butirrato chinasi, sono stati coinvolti nella fermentazione dei nanomateriali di carbonio per produrre acido butirrico. Il sequenziamento microbico ha rivelato che i batteri produttori di acido butirrico sono le specie dominanti per la produzione di acido butirrico da nanomateriali di carbonio.
Il lavoro è stato pubblicato e riportato come highlight nella rivista Nature "Bacteria in the digestive tract can break down ingested carbon nanomaterials".
Sulla base di un metodo analitico innovativo, questo studio ha chiarito per la prima volta il processo metabolico dei nanomateriali di carbonio dalla fonte al medio-termine, rompendo le conoscenze tradizionali secondo cui i microrganismi possono utilizzare solo i carboidrati per sintetizzare molecole organiche di acido butirrico e confermando che i microrganismi intestinali possono utilizzare i nanomateriali di carbonio sintetici come fonti di carbonio per generare metaboliti organici endogeni. Il nuovo meccanismo rivela il nuovo destino biologico dei nanomateriali di carbonio in vivo, che fornisce un importante supporto teorico per ampliare gli scenari applicativi dei nanomateriali di carbonio.
Xuejing Cui, ricercatore associato del National Center for Nanoscience, è il primo autore dell'articolo e Chunying Chen, ricercatore del National Center for Nanoscience, è l'autore corrispondente. Il lavoro di ricerca è stato sostenuto dal National Key Research and Development Program of China, dalla National Natural Science Foundation of China e dallo Strategic Pioneer Science and Technology Special Project of Chinese Academy of Sciences.
Link all'articolo originale: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2218739120
Natura in evidenza: https://www.nature.com/articles/d41586-023-01540-w
Fonte: Centro nazionale per le nanoscienze
