El nitrato asociado a inflamación facilita la colonización de la bacteria oral Veillonella parvula en el intestino

  

Por: Daniel F. Rojas-Tapias 

Diversos estudios empleando multi-ómicas han mostrado que bacterias del género Veillonella, las cuales son miembros anaerobios, fermentativos y comensales del microbioma oral, se expanden en el intestino grueso de personas con enfermedades de inflamación del colon (IBD, inflamatory bowel diseases), incluyendo la enfermedad de Crohn y la colitis ulcerativa. Notablemente, nosotros encontramos una correlación positiva entre la severidad de la enfermedad y la abundancia de V. parvula y V. dispar en dos cohortes de pacientes con IBD, sugiriendo que la inflamación favorece el establecimiento y la proliferación de Veillonella. Dado que varios organismos comensales orales están asociados a diversas enfermedades inflamatorias y cáncer, el entendimiento de las estrategias moleculares que estos microorganismos adoptan para colonizar otros tejidos resulta crucial.  

La inflamación resulta en la formación de especies reactivas de oxígeno y nitrógeno. El óxido nítrico, por ejemplo, es producido por el huésped en respuesta a inflamación vía regulación positiva de la enzima iNOS. La reacción entre óxido nítrico y radicales superóxidos resultan en la formación de nitrato. Mediante el uso de herramientas computaciones, identificamos un clúster de genes putativamente involucrados en respiración de nitrato. Interesantemente, la adición de nitrato no solo estimuló el crecimiento de Veillonella parvula en presencia de ácidos orgánicos, sino que permitió su crecimiento en condiciones que de otro modo habrían sido restrictivas. Mediante el uso de herramientas de genética y biología molecular, mostramos que un mutante que carecía este clúster resultaba incapaz de aprovechar el nitrato para crecer y expandir su metabolismo. Empleando cromatografía líquida y espectrometría de masa (Liquid chromatography–mass spectrometry, LC-MS), mostramos que el nitrato le permite a V. parvula crecer con aminoácidos y péptidos como fuente de carbono, sugiriendo una reprogramación del metabolismo para adaptarse a las condiciones de inflamación. 

Para entender en detalle los mecanismos asociados, analizamos mediante LC-MS y pruebas enzimáticas, y RNA-seq, la abundancia de los subproductos principales del metabolismo de V. parvula: propionato y acetato, y el perfil de expresión génica asociado. La adición de nitrato resultó en una disminución en la producción de acetato, sugiriendo una reducción en la síntesis de ATP a través de fosforilación a nivel de sustrato y de poder reductor. La adición de nitrato también resultó en una reducción en los niveles de propionato, lo cual coincidió con una transición en el uso del aceptor final de electrones de fumarato a nitrato. Estos datos sugieren que cuando V. parvula crece con los sustratos no canónicos no solo emplea fosforilación a nivel de sustrato para producir ATP sino que también usa rutas alternativas. Estas observaciones coincidieron con la regulación positiva y negativa de varias vías metabólicas.  

La respiración de nitrato causó un incremento de la fuerza protón motriz. Este potencial electroquímico alimenta la síntesis de ATP vía fosforilación oxidativa y el movimiento de sustratos por transportadores dependientes de protones. Notablemente, células mutantes que carecen la ATP sintasa fueron capaces de crecer de manera normal en presencia de ácidos orgánicos, sugiriendo que bajo estas condiciones el ATP es sintetizado vía fosforilación a nivel de sustrato. En contraste, en presencia de aminoácidos y péptidos, el mutante que careció la ATP sintasa fue incapaz de crecer, indicando la necesidad de fosforilación oxidativa para la generación de ATP. El análisis de transporte de sustratos mostró que este elevado gradiente de protones mejora la toma de sustratos del ambiente. La respiración de nitrato, por lo tanto, otorga a V. parvula una nueva ruta para la síntesis de energía.  

Finalmente, evaluamos la importancia in vivo de la respiración de nitrato en V. parvula empleando experimentos con ratones con una microbiota definida o compleja en un modelo de colitis. Sin importar el tipo de microbiota, la colitis inducida por DSS resultó en la expansión de V. parvula en las heces de los ratones y en el tejido colónico. Células de V. parvula mutante que carecían el complejo nitrato reductasa fueron menos competentes para colonizar. Para determinar en más detalle si el nitrato inflamatorio fue responsable por el fenotipo, empleamos ratones mutantes que carecen la enzima iNOS. A pesar de que los indicadores de inflamación fueron similares entre los ratones silvestres y mutantes, la colonización de V. parvula en los ratones sin iNOS fue significativamente menor. La presente evidencia demuestra que el nitrato es fundamental para la colonización ectópica de V. parvula, y posiblemente otras Veillonella spp., en el intestino inflamado. 

 

REFERENCIA

Rojas-Tapias, D.F., Brown, E.M., Temple, E.R. et al. Inflammation-associated nitrate facilitates ectopic colonization of oral bacterium Veillonella parvula in the intestine. Nature Microbiology (2022). https://doi.org/10.1038/s41564-022-01224-7

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