W zdrowym ciele… bifidobakterie. Cykl: „Poznaj świat nauki o żywności”

Mikrobiota jelitowa odgrywa bardzo ważną rolę w wielu aspektach ludzkiego zdrowia zarówno fizycznego, jak i psychicznego. Świadczą o tym licznie prowadzone badania, również takie, które wiążą zmiany w składzie mikrobioty z rozwojem różnych chorób. Wśród niewidocznych gołym okiem mieszkańców naszego organizmu, bakterie z rodzaju Bifidobacterium zajmują wyjątkowe miejsce. Są jednymi z pierwszych kolonizatorów ludzkiego jelita, gdzie odgrywają kluczową rolę w zachowaniu zdrowia i równowagi mikrobioty jelitowej.

Bifidobakterie zidentyfikował po raz pierwszy Henry Tissier w 1899 roku, jednakże nazwa rodzaju Bifidobacterium została wprowadzona dopiero w 1924 roku przez innego badacza – Sigurda Orla-Jensena i nawiązywała do rozdwojonego kształtu końcówek komórek charakteryzującego te bakterie, gdy znajdowały się w środowisku ubogim w substancje odżywcze. To odróżniało je od grupy bakterii kwasu mlekowego, do której wcześniej były przypisywane. Bifidobakterie charakteryzują się różnorodną morfologią komórek, oprócz standardowego kształtu laseczki mogą być skręcone lub mieć kształt litery V czy też Y. Do dziś zidentyfikowano ponad 40 gatunków i liczne podgatunki w obrębie rodzaju. Bakterie te są Gram-dodatnie, w większości beztlenowe i zazwyczaj katalazo-ujemne. Optymalna temperatura wzrostu szczepów Bifidobacterium izolowanych od ludzi mieści się w przedziale od 36 do 38 °C, podczas gdy dla szczepów pochodzenia zwierzęcego wynosi od 41 do 43 °C.  W przypadku pH, zakres 6,0 – 7,0 jest optymalny dla większości szczepów tego rodzaju. Cechą wszystkich bifidobakterii jest zdolność metabolizowania węglowodanów z grupy heksoz (jak np. glukoza) w tzw. szlaku „bifid shunt”, którego najważniejszym elementem jest enzym katalaza fruktozo-6-fosforanowa. Przez długi czas cecha ta stanowiła podstawę identyfikacji bifidobakterii w skriningu środowiskowym. Bifidobakterie naturalnie zamieszkują przewód pokarmowy i śluzówkę jamy ustnej oraz układu rozrodczego ludzi i zwierząt. Do gatunków Bifidobacterium, które najliczniej zasiedlają układ pokarmowy i moczowo-płciowy u człowieka zalicza się takie gatunki jak B. adolescentis, B. catenulatum, B. longum (subsp. lactis i infantis), B. breve i B. bifidum, z których dwa ostatnie najczęściej występują u dzieci.

Fot. Bifidobacterium longum – charakterystyczny kształt komórek widoczny pod mikroskopem elektronowym (źródło: Internet) i pod mikroskopem optycznym (badania własne)

Bifidobakterie są jedną z najważniejszych grup bakterii obecnych w niemowlęcym przewodzie pokarmowym, promujących prawidłowy rozwój funkcji fizjologicznych u noworodków. Na wczesnych etapach życia bifidobakterie stanowią nawet do 90% mikrobioty jelitowej niemowląt. W przypadku najmłodszych organizmów bifidobakterie odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu mikrobioty jelitowej, co ma długotrwały wpływ na zdrowie. Są one odpowiedzialne za wiele istotnych funkcji, takich jak wspomaganie trawienia i absorpcji składników odżywczych, produkcję witamin (np. z grupy B i K), a także za ochronę przed patogenami poprzez konkurowanie o miejsce bytowania i pożywienie, obniżanie pH treści jelitowej produkowanie kwasów organicznych oraz wytwarzając białka o charakterze bakteriocyn. Bifidobakterie wspomagają rozwój układu odpornościowego niemowlęcia, co jest kluczowe dla ochrony przed infekcjami i alergiami. Poprzez interakcje z komórkami układu odpornościowego w jelitach, pomagają one kształtować odpowiedź immunologiczną, ucząc układ odpornościowy rozróżniania między szkodliwymi a nieszkodliwymi antygenami. Dzięki temu, niemowlęta mają lepszą zdolność do odpierania infekcji i mniejsze ryzyko rozwoju alergii i chorób autoimmunologicznych. Bifidobakterie modulują również mikrobiotę jelitową, co ma wpływ na rozwój mózgu i zachowanie. Badania wykazały związek między populacją drobnoustrojów w jelitach a rozwojem neurologicznym, w tym funkcjonowaniem poznawczym i emocjonalnym. Składniki wydzielane przez bifidobakterie, takie jak krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (SCFA), mogą wpływać na funkcjonowanie mózgu poprzez tzw. oś mózg-jelita, wpływając na procesy takie, jak uczenie się i pamięć. Obecność odpowiednio liczebnej populacji bifidobakterii  wpływa na modulację metabolizmu niemowlęcia. Poprzez fermentację błonnika i innych prebiotyków, produkują one m.in. SCFA, które służą jako źródło energii dla komórek nabłonka jelitowego, wspierają zdrowie jelit i mają pozytywny wpływ na metabolizm ogólnoustrojowy. Dzięki temu niemowlęta mogą lepiej wykorzystywać składniki odżywcze i są chronione przed rozwojem przyszłych zaburzeń metabolicznych.

Obecność odpowiednio licznej i zróżnicowanej populacji gatunków Bifidobacterium w jelitach dorosłych ludzi wiąże się z ograniczonym występowaniem wielu chorób. Badania wykazały, że mają one wpływ na redukcję ryzyka otyłości, cukrzycy typu 2, niektórych chorób sercowo-naczyniowych oraz stanów zapalnych. Większość ochronnych mechanizmów wynika z antyoksydacyjnego potencjału bifidobakterii. Warto również zwrócić uwagę na działanie wybranych szczepów w kierunku hamowania rozwoju niektórych nowotworów (nowotwór jelita grubego, czerniak), która prawdopodobnie wynika ze zdolności pobudzania komórek gospodarza do produkcji czynników przeciwzapalnych oraz produkowania m.in. sprzężonego kwasu linolowego (CLA). Substancja ta hamuje syntezę DNA i ogranicza niekontrolowaną proliferację, wprowadzając komórki nowotworowe w stan apoptozy.

Dieta odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu odpowiedniej populacji Bifidobacterium. Wraz z wiekiem liczebność tych bakterii spada, u dorosłego człowieka stanowi 2-15% populacji mikrobioty jelitowej. Jednakże produkty bogate w błonnik, prebiotyki (np. inulina, fruktooligosacharydy) oraz zróżnicowane składniki odżywcze sprzyjają rozwojowi tych bakterii. W przypadku niemowląt i małych dzieci naturalnym źródłem substancji o charakterze prebiotycznym jest mleko matki. Dieta uboga w te elementy może prowadzić do zmniejszenia ich różnorodności i liczebności, a w połączeniu np. z antybiotykoterapią spowoduje poważną dysbiozę.

Fakt przypisywania bifidobakteriom właściwości probiotycznych sięga początku XX wieku. Zaliczano je do mikroorganizmów pozwalających zwalczać bakteryjne zatrucia pokarmowe, podawane były wraz z bakteriami kwasu mlekowego w naturalnie fermentowanych napojach i produktach mlecznych. Na przestrzeni 100 lat zainteresowanie bifidobakteriami rosło, choć z przerwami. Entuzjazm związany z odkryciem nowej grupy drobnoustrojów o ciekawych cechach studziły problemy z hodowaniem bifidobakterii w warunkach laboratoryjnych. Niektóre szczepy, jako ścisłe beztlenowce, nie pozwalały się badać. Dopiero rozwój technik hodowlanych i molekularnych umożliwił wyjaśnienie złożoności kolejnych mechanizmów działania tych drobnoustrojów na organizmy zwierzęce. Badania prowadzone są w pierwszej kolejności w sposób pośredni, wykorzystując hodowle linii komórkowych nabłonka jelita oraz modele zwierzęce. Kolejnym etapem są randomizowane badania kliniczne.

Mimo rozległej wiedzy na temat Bifidobacterium, nadal istnieją obszary niezbadane, zwłaszcza w kontekście interakcji między różnymi gatunkami bakterii i ich wpływu na zdrowie człowieka. Przyszłe badania mogą dostarczyć nowych informacji na temat tych mikroorganizmów. Bifidobakterie są nieodłącznym i kluczowym elementem mikrobioty jelitowej. Ich rola w utrzymaniu zdrowia jelit, a przez to całego organizmu, jest nie do przecenienia. Dieta bogata w składniki odżywcze sprzyjające ich rozwojowi oraz racjonalna suplementacja probiotykami zawierającymi przebadane szczepy Bifidobacterium, szczególnie po antybiotykoterapii czy chemioterapii, może przyczynić się do poprawy zdrowia i samopoczucia.

Badania związane z poszukiwaniem nowych izolatów bifidobakterii charakteryzujących się udokumentowanymi właściwościami probiotycznymi realizowane są obecnie w Katedrze Biotechnologii, Mikrobiologii i Żywienia Człowieka, na Wydziale Nauk o Żywności i Biotechnologii Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie w ramach projektu badawczego PRELUDIUM nr 2018/29/N/NZ9/02421 finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki. Podczas prac badawczych pozyskano ponad 100 izolatów bifidobakterii, które poddano następnie licznym testom genetycznym i biochemicznym, by ostatecznie uzyskać 5 szczepów wykazujących wyjątkowo ciekawe cechy probiotyczne, w tym właściwości adhezyjne, m.in. przyleganie do komórek nabłonka jelita, zarówno zdrowych, jak i zmienionych procesem nowotworzenia. Daje to nadzieję na stworzenie w przyszłości probiotycznych leków dla dzieci i dorosłych zawierających dobrze scharakteryzowane i przebadane bifidobakterie.

1. Arboleya S, Watkins C, Stanton C, Ross RP. (2016) Gut Bifidobacteria Populations in Human Health and Aging. Frontiers in Microbiology 7:1204. doi:10.3389/fmicb.2016.01204.
2. Libudzisz Z., Walczak P., Bardowski J. (2004) Bakterie fermentacji mlekowej. pp. 7-22. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź.
3. Russell D. A., Ross R. P., Fitzgerald G. F., Stanton C. (2011) Metabolic activities and probiotic potential of bifidobacteria J. Food Microbiol. 149: 88-105.
4. Tang, J., Wei, Y., Pi, C. et al. The therapeutic value of bifidobacteria in cardiovascular disease. npj Biofilms Microbiomes 9, 82 (2023). https://doi.org/10.1038/s41522-023-00448-7
5. Ventura M., Turroni F., Lugli G. A., van Sinderen D. (2014) Bifidobacteria and humans: Our special friends, from ecological to genomics perspectives. Sci. Food Agr. 94: 163-168.
6. Rossi et al. (2020). Riboflavin Biosynthesis and Overproduction by a Derivative of the Human Gut Commensal Bifidobacterium longum subsp. infantis ATCC 15697. Frontiers in Microbiology. 11. 573335. 10.3389/fmicb.2020.573335.

Autor: dr inż. Elwira Komoń-Janczara
Katedra Biotechnologii, Mikrobiologii i Żywienia Człowieka