Microrganismi probiotici: biotecnologie e applicazioni

Lezione 1

Koch è un medico che ha teorizzato i suoi postulati che si posizionano in

un’epoca in cui c’è stata la scoperta dei microrganismi e la correlazione tra

essi e le patologie in modo più specifico; si vede quindi il microrganismo

Metchnikoff

come un qualcosa da eliminare. Nell’inizio del 900 ha scoperto i

macrofagi e inoltre ha teorizzato per la prima volta la presenza di

microrganismi in grado di prolungare la vita umana e dare un beneficio.

L’essere umano/animale interagisce con i

microrganismi e questa interazione avviene con

la compartecipazione di diversi fattori:

- Genetici e biologici sia dell’uomo che

microrganismo

- Fisici e ambientali può essere anche

considerato l’alimento

- Ecologici

- Politici, sociali ed economici

Gli organismi superiori (pluricellulari membri del

olobionti:

regno plantae e animalia) sono non

può esserci un organismo superiore capace di

svolgere il proprio metabolismo in modo sano

senza compartecipazione dei microrganismi.

L’ospite deve vivere per forza in associazione con i microrganismi e l’insieme

dei due genera l’olobionte, che è un’unità ecologica singola. L’evoluzione

agisce con la pressione selettiva sull’olobionte, ossia sia su microrganismi

che su essere umano. I microrganismi che si trovano nell’uomo non sono

casuali, bensi specifici. C’è un interazione tra ospite e microrganismi e

l’evoluzione ha agito perché l’ospite sia affine al microbiota.

L’olobionte è un super organismo ed è stato teorizzato inizialmente da

Margulis, che ha teorizzato anche il concetto di ologenoma, ossia l’insieme

del genoma dell’uomo ma anche del microbiota. Si sono sviluppate teorie

olobiontiche ologenomiche.

e

Microbiota indica tutte le cellule microbiche presenti e viventi

in un habitat specifico. Nell’uomo abbiamo differenti

microbiota, cosi come nei vari ambienti che non sono l’uomo.

microbioma

Differente è che ha due possibili definizioni:

- Insieme dei geni e del materiale genetico del microbiota

(somma dei geni di tutti i microrganismi in una nicchia

ecologica)

- Ecosistema microbico nel suo complesso (tutte le cellule,

metaboliti, interazioni, prodotti dei microrganismi di un

ecosistema microbico)

Microbiota: quali e quanti microrganismi si trovano in un

habitat

Microbioma: come dire ecosistema, si intende anche il genoma

1

I microrganismi sono organismi viventi che appartengono principalmente a 3

regni: Protista, monera e fungi; nella classificazione americana si aggiunge

anche la classificazione archea e bacteria (che appartengono entrambi ai

monera). Gram-

Gram - Gram +

Gram + 2

epiteto specifico e uno

Tutti gli organismi viventi vengono definiti su un

generico, Genere specie nomenclatura binomiale.

ossia e ed è la

La tassonomia (attività di dare nomi e raggruppare i microrganismi in taxa)

non si limita a genere e specie, ma prevede diversi livelli tassonomici, ossia

ceppo

diversi raggruppamenti. In ogni ambito di microbiologia applicata il è

molto importante; non si tratta di un livello tassonomico, ma é un insieme di

cellule microbiche teoricamente originate da un’unica cellula genitrice con

cui condividono lo stesso patrimonio genetico. Molte proprietà probiotiche

sono applicabili al ceppo e non a livello tassonomico; il ceppo non deve

avere mutazioni nel tempo. Nella stessa specie ci sono ceppi molto differenti

da altri, fino ad avere un alto grado di biodiversità.

Il phylum è molto usato nel mondo della descrizione degli ecosistemi in

ecologia microbica

Nell’uomo abbiamo diversi siti in cui i batteri si sviluppano e abbiamo diversi

microbiota, con una differente quantità di batteri, ma anche con diverse

divisioni in differenti %.

Nell’intestino ci sono 10^13-10^14 cellule batteriche.

L’intestino umano è molto rilevante per la salute per alcuni motivi

fondamentali, ossia si tratta della nostra finestra verso l’esterno di lunghezza

molto elevata, inoltre c’è una separazione molto leggera verso l’esterno

perché c’è un singolo strato di enterociti. L’intestino è un ambiente

eterogeneo perché é fatto da diverse nicchie ed ecosistemi che sono diversi

in termini di pH, ma anche di disponibilità di ossigeno e questi due aspetti da

soli generano una differenza di microrganismi. 3

Quando i probiotici raggiungono l’intestino raggiungono un vero e proprio

microbiota intestinale,

“organo aggiuntivo” del corpo umano, ossia il che

offre una serie di servizi all’uomo al punto tale da poter essere definibile

come un organo. I microrganismi nell’uomo vivono con essi in uno stato di

simbiosi e infatti, come visto nei topi, l’essere superiore non è in grado di

svilupparsi in modo adeguato se non sono presenti (non sviluppa il sistema

immunitario, ha problemi nella raccolta di vitamine, non ha protezione e

inoltre va incontro a morte precoce). Le funzioni del microbiota intestinale nei

confronti dell’uomo sono diversi:

1. Fa effetto barriera

2. Regola la maturazione del sistema immunitario

Ci sono diversi recettori (come i TLR) che riconoscono dei fattori batterici

(MAMP) che vanno a determinare lo sviluppo del sistema immunitario, sin

dal momento della nascita

3. Regolazione motilità intestinale

4. Produzione di vitamine (K, B)

5. Modulazione dell’effetto degli alimenti sull’ospite

Ciò che noi introduciamo con gli alimenti ha un effetto sull’essere umano

mediato dai microrganismi

Il ruolo del microbiota intestinale ha effetto principalmente sui carboidrati che

sono prodotti dall’ospite stesso (mucina e sfingolipidi) ma soprattutto fibra

alimentare (molecole introdotte con la dieta non digerite che raggiungono il

colon); il risultato del metabolismo della fibra è la produzione di molecole tra

le quali ci sono gli acidi grassi a corta catena (butirrato, propionato ed

acetato). 4

Gli acidi grassi a corta catena sono il prodotto finale del catabolismo dei

batteri intestinali; fibra= fonte di energia di carbonio, che viene usato per il

metabolismo dei batteri intestinali che la fermentano dando come risultato la

fermentazione.

produzione di acidi organici attraverso la

Il microbiota intestinale media il ruolo degli alimenti con effetti sulla salute

umana: ciò che introduciamo con la dieta raramente ha un effetto

direttamente sulla dieta, ma avviene prima un metabolismo, ma molte

mediato

molecole introdotte hanno un effetto sull’essere umano

necessariamente dal microbiota.

Probiotici

Con i probiotici noi agiamo in modo mirato sul microbiota, possiamo quindi

modularlo ed avere un effetto finale sulla salute dell’ospite. È uno degli

strumenti più efficaci per modificare il microbiota, quindi per prevenire e

curare alcune malattie.

L’approccio probiotico (migliorare la salute umana con l’uso di probiotici)

nasce da tempi in cui non si conoscevano con esattezza i microrganismi, ma

usando gli “elisir di lunga vita” che in realtà erano dei lassativi, in seguito ai

quali sono stati introdotti dei lavaggi intestinali e quindi già si conosceva

come la salute fosse legata all’intestino.

Metchnikoff ha creato un testo “the prolungation of Life” nel 1907, in cui

esprimeva come nell’intestino c’è una flora che é estremamente importante

nel causare la senilità, ossia riteneva che l’uomo dovesse vivere oltre 100

anni, ma c’è un raccorciamento nella nostra vita dovuto ad un

avvelenamento cronico perché nell’intestino umano si era evoluto il colon

che ha come scopo l’immagazzinamento degli alimenti, ma questo processo

di mantenimento degli alimenti determinava processi di putrefazione degli

alimenti stessi che andava a determinare un avvelenamento cronico; nel libro

ha fatto anche esempi degli animali in cui esprimeva come gli uccelli terrestri

abbiano sviluppato un colon maggiore rispetto a quelli che vivono a contatto

con l’acqua e si è ridotta la loro vita. Metchnikoff conclude il ragionamento

dicendo che è possibile evitare questa riduzione della vita proponendo

l’utilizzo di batteri lattici produttori di acido lattico e ha trovato un alimento

yogurt

che è lo (che si è diffuso in occidente a seguito a questo libro). Da qui

si è iniziato a pensare all’utilizzo di probiotici.

Henry Tissier era un pediatra nel 1900 che studiava la diarrea infantile e ha

pubblicato nelle sue pubblicazioni il fatto che i bambini sani presentavano

questi batteri con una forma bifida che erano assenti nei bambini malati. Da

Lactobacillus bifidum

questo studio isolo questo batterio che chiamo che ad

bifidobacterium bifidum;

oggi è il ha somministrato questo batterio nei

bambini malati e ha visto come effettivamente la malattia veniva curata più

facilmente. Ciò che diceva è corretto se si pensa a ciò che succede nel

nostro microbiota dal momento della nascita fino alla crescita: nel momento

appena successivo alla nascita c’è una fase in cui sono presenti soprattutto

bifidobatteri che sono molto importanti per lo sviluppo del sistema

immunitario e per la salute di essi. 5

Gli oligosaccaridi del latte materno sono degli oligosaccaridi che non sono

bifidogenici,

idrolizzati dagli enzimi dell’uomo, ma sono fattori ossia in

particolare aiuta lo sviluppo di bifidobatteri perché essi presentano nel loro

genoma molti geni che codificano per l’utilizzo degli oligosaccaridi del latte

materno, quindi essi sono selettivi per lo sviluppo del bifidobatterio. Non si

conosce con esattezza da dove questo batterio derivi, si può pensare dalla

vagina della madre, oppure dal latte materno attraverso la ghiandola

mammaria, quindi c’è chi ritiene che il bifidobatterio è presente nell’intestino

della madre e poi migra nella ghiandola mammaria attraverso il sistema

linfatico.

Il vero padre dei probiotici potrebbe essere anche un uomo bulgaro (Stamen

bacillus bulgaricus

Grigorov) nel 1905 che fu colui che per primo ha isolato il

e fu il primo a portare verso lo sviluppo a livello mondiale dello yogurt.

Yakult

Il primo prodotto probiotico creato è stato lo che é un latticello in cui è

L. Paracasei,

presente che é in commercio a partire dal 1935. La diffusione

nel mondo occidentale di questi prodotti probiotici è partito negli anni 80 con

i prodotti Activia e a partire dagli anni 2000 lo sviluppo di questi prodotti è

diventato enorme per via dell’interesse sempre maggiore.

La parola probiotico non è di origine latina, bensi è un ibrido linguistico con

origine latina (pro) e greca (bios) e la definizione è stata data dalla FAO.

Lezione 2

Simbiosi può avere un accezione più ampia ossia qualsiasi microrganismo

che ha un rapporto con altri microrganismi e quindi tutte le forme di rapporti

tra i microrganismi ci rientrano.

Nello yogurt ci sono S. Termophilus e L. Delbrueckii subsp. bulgaricus e

sinergismo protocooperazione

vivono in o perché hanno un rapporto positivo

tra di essi, ma sono in grado di sopravvivere da soli. Il tipo di ceppo e il tipo

di latte usato per lo yogurt possono andare a portare differenze nel rapporto

tra i due microrganismi.

La parola probiotico compare per la prima volta in una pubblicazione del

1956, ma con un significato differente da quello attuale poiché intendeva 6

unaqualsiasi organismo o molecola che andava a portare un miglioramento

nella vita di altri organismi. La parola è un ibrido linguistico greco e latino. La

definizione di probiotico è nata dall’opinione di numero esperti negli anni 90

in un convegno della FAO.

Probiotici: microrganismi vivi che, se consumati in adeguata quantità,

conferiscono beneficio alla salute dell’ospite

Il documento di riferimento ad oggi da un punto di vista filosofico sono

ancora le linee guida FAO del 2002. In Italia questa definizione ha una

legale

valenza di tipo a tutti gli effetti perché nel 2005 è stato fornito un

ministero dalla salute linee guida probiotici e

documento dal che sono le

prebiotici. probiotico

Con tale documento si esplicita che non è sinonimo di

fermento lattico.

Il probiotico viene indicato come microrganismo vivo e vitale che conferisce

beneficio alla salute dell’ospite quando consumati in adeguate quantità

come parti di un alimento o di un integratore.

Col termine vivo si intende che un microrganismo può riprodursi e fare

colonie in un determinato terreno, con vitale si intende che ha un’attività

metabolica funzionale. Vengono però posti anche confini precisi nei quali

bisogna “stare” quando si parla di un probiotico: in Europa il modo corretto

di usare la parola probiotico è solo e soltanto quando siamo nel mondo di

alimenti o integratori alimentari. A preoccuparsi della sicurezza e dei claims

di alimenti e probiotici è l’EFSA. curare una

Nel momento in cui sono usati farmaci con microrganismi vivi per

malattia non si parla di probiotici.

!!! Differenze tra definizione FAO e Italiana

I documenti della FAO sono 2 avevano una finalità comune che definiscono

requisiti minimi necessari per definire un probiotico. Il più grosso

cambiamento attuale è dovuto al fatto che ora si può ottenere il genoma

completo di un certo batterio.

In merito alle linee guida si fa riferimento anche a un documento fatto nel

2017 da numerosi esperti (gli stessi convocati dalla FAO). In questa

consensus statements,

pubblicazione è stato creato il che è un documento in

cui sono state date modificazioni:

1. Modificazione della definizione ufficiale inglese

2. Specificazione che ci fa capire cosa è probiotico realmente o no

Quindi tutti i microrganismi che si trovano all’interno degli alimenti, se hanno

ruolo positivo sul nostro organismo, sono probiotici?

Lee C-H nel 2004 ha scritto in una sua pubblicazione che “molti prodotti

alimentari fermentati tradizionali stanno ricevendo crescente attenzione per i

loro effetti positivi sulla salute e capacità di prevenire malattie. Si

accumulano evidenze scientifiche circa gli effetti fisiologici di questi

prodotti”. Nel nostro paese possiamo vedere come i microrganismi lattici si

trovano molto spesso in formaggi, ma anche microrganismi che si trovano

nelle olive, cetrioli, natto, ecc che sono tutti prodotti fermentati e contengono

batteri lattici. Anche il Kefir è un prodotto tradizionale che contiene un mix 7

enorme di microrganismi con moltissimi batteri lattici che sono ritrovabili

normalmente nei prodotti probiotici.

Quindi Lee C-H ha supposto che alla luce della definizione della FAO i

prodotti fermentati possono essere considerati a tutti gli effetti come prodotti

probiotici.

Lo yogurt prevede la fermentazione del latte con solo due microrganismi,

ossia S. Termophilus e L. Delbrueckii subsp. bulgaricus, e sono anche

stabiliti i valori minimi di 10^7 UFC/g, e ognuno dei due deve essere

presente almeno in quantità di 10^6 UFC/g. Una prima critica alla possibile

probioticità dello yogurt è che si ritiene che i microrganismi dello yogurt non

superano la barriera dello stomaco rimanendo vivi; questo è stato però

smentito perché in uno studio si sono trovate prove che questi microrganismi

rimanessero vivi all’interno dell’organismo nelle feci in molti soggetti, ma

anche una riduzione di Enterobacteriocee (E. Coli, pseudomonas, shigella,

ecc.) e aumento dell’attività B-galattosidasica (positivo perché permette al

batterio di usare il lattosio), ma nessun effetto significativo su attività β-

glucuronidasica, azoreduttasica e sul profilo in SCFA.

Un altro studio ha visto come nello yogurt si è visto lo stesso effetto sulla

diarrea nei bambini se paragonato al prodotto probiotico con S. Cerevisiae

(ceppo Boulardi).

La B-glucuronidasi è un’attività che va contro al processo di

glucuronidazione, che consente di rendere meno tossiche delle molecole

attraverso un aumento della solubilità della stessa; se c’è questa attività

enzimatica viene rotto il legame e la molecola xenobiotica rimane più a lungo

all’interno del nostro organismo.

L’azoreduttasi è un’attività enzimatica negativa perché può portare alla

formazione di ammine aromatiche mutagene e quindi effetto cancerogeno.

Lo yogurt non è probiotico per 2 motivi:

- Motivo microbiologico: quando si parla di proprietà probiotiche bisogna

fare riferimento al prodotto con all’interno uno specifico ceppo.

Lo yogurt è una categoria di prodotti con all’interno diversi tipi di ceppi

Non si può generalizzare.

selezionati da ogni differente azienda.

- Motivo legale: i probiotici sono novel food, mentre lo yogurt non rientra nel

regolamento dei novel food, bensi ha una sua legge specifica ed è un

alimento tradizionale. migliorazione

Esiste una caratteristica positiva fornita dallo yogurt, ossia una

della digestione del lattosio perché tutti i batteri di L. Bulgaricus hanno la B-

galattosidasi. Se io ho un latte fermentato con effetto probiotico non lo

fermentato

chiamo yogurt perché é un prodotto tipico, bensi “latte

probiotico” che mi dà anche un claim a livello italiano.

Il consumo dei probiotici prima del 1997 non era considerato significativo e

non vi erano degli specifici regolamenti e sono quindi inseriti tra i novel food.

In un ambito più tecnico-scientifico sono stabiliti dei confini per i probiotici

all’interno del consensum statement e ven