Methanobrevibacter smithii es la arqueona metanogénica predominante en la microbiota del intestino humano . [1] M. smithii tiene forma de cocobacilo . Desempeña un papel importante en la digestión eficiente de polisacáridos (azúcares complejos) al consumir los productos finales de la fermentación bacteriana (H 2 , acetato, formato hasta cierto punto existente). [2] M. smithii es un metanógeno hidrogenotrófico que utiliza hidrógeno combinándolo con dióxido de carbono para formar metano . Se cree que la eliminación de hidrógeno por M. smithii permite un aumento en la extracción de energía de los nutrientes al cambiar la fermentación bacteriana a productos finales más oxidados. [3]
Methanobrevibacter smithii también se encuentra en la placa dental y en la vagina (con vaginosis ). [4]
La microbiota intestinal humana consta de tres grupos principales de microorganismos que consumen hidrógeno o hidrogenótrofos : metanógenos, entre ellos M. smithii ; diversas bacterias acetogénicas ; y bacterias reductoras de sulfato . Las diferentes funciones de estos microorganismos son útiles para comprender cómo el metabolismo del hidrógeno afecta la eficiencia de la fermentación dietética. [5] La acumulación de hidrógeno en el intestino reduce la eficiencia de la fermentación microbiana, así como el rendimiento de energía. Por lo tanto, las arqueas metanogénicas son particularmente significativas para el intestino humano, porque son fundamentales en la eliminación del exceso de hidrógeno. [3] M. smithii es la arquea metanogénica más común en la microbiota intestinal humana. M. smithii es primordial en los procesos digestivos y tiene una alta prevalencia en las heces humanas . [6]
La microbiota intestinal está dominada por bacterias gramnegativas como Bacteroidota y Bacillota (principalmente grampositivas ). Las arqueas están representadas principalmente por la bacteria metanogénica M. smithii . Se cree que M. smithii es un objetivo terapéutico para la manipulación y la adaptación al ecosistema intestinal. [7]
M. smithii tiene un enriquecimiento significativo de genes involucrados en la utilización de dióxido de carbono (CO 2 ), gas hidrógeno (H 2 ) y formato ( HCO−2) para la metanogénesis . También tiene una vía intacta que permite la utilización del grupo de genes de CO2 para el consumo metanogénico del metabolito producido por Bacteroides thetaiotaomicron . [7]
M. smithii favorece la eliminación metanogénica y no metanogénica de diversos productos finales bacterianos de la fermentación. [7]
La arquea dominante en el ecosistema intestinal humano afecta la especificidad y la eficiencia de la digestión bacteriana de los polisacáridos de la dieta. Esto influye en la cosecha de calorías y la grasa corporal de la persona. [7] M. smithii , junto con ciertas bacterias, se encuentra con mayor frecuencia en individuos delgados que en aquellos que tienen sobrepeso. [8] Los investigadores han secuenciado el genoma de M. smithii , lo que indica que M. smithii puede ser un objetivo terapéutico para reducir la cosecha de energía en humanos obesos. [7]
La pared celular y la membrana celular de Methanobrevibacter smithii determinan la susceptibilidad a los antibióticos y las estatinas . La pared celular está compuesta de pseudopeptidoglicano (y no peptidoglicano como en las bacterias) que hace que las arqueas sean resistentes a la lisozima y a muchos antibióticos que interfieren con la síntesis de la pared celular. La membrana celular consta de una bicapa o monocapa lipídica, cuya estructura principal está compuesta de unidades de isopreno que están unidas al glicerol por enlaces éter . Por el contrario, la bicapa lipídica de las bacterias consta de una estructura principal de ácidos grasos que está unida al glicerol por un enlace éster . La presencia de unidades de isopreno sensibles a las estatinas en la membrana celular de las arqueas permite que las estatinas interfieran selectivamente con el crecimiento de las arqueas sin afectar la membrana celular de las bacterias. Si bien las bacterias no utilizan unidades de isopreno en su membrana celular, aún son necesarias en otras partes. Sin embargo, estas unidades de isopreno bacteriano se sintetizan mediante la vía del mevalonato (MEP), que no es inhibida por las estatinas. [9]
En 2009, se realizó el estudio humano más grande hasta la fecha sobre la obesidad y la microbiota intestinal . Los trastornos de obesidad son el resultado de un desequilibrio y tienen consecuencias graves como la enfermedad cardiovascular , la diabetes tipo 2 y el cáncer de colon . La microbiota intestinal y el medio ambiente contribuyen al desequilibrio energético debido a su participación en la ingesta, conversión y almacenamiento de energía. Los métodos independientes del cultivo han demostrado que altas proporciones de metanógenos pueden comprender hasta el 10% de todos los anaerobios en los colones de adultos sanos. El promedio de cuantificación de M. smithii para el grupo anoréxico fue mucho mayor que el grupo delgado y obeso. Por lo tanto, se encontraron mayores cantidades de M. smithii en pacientes anoréxicos que en pacientes delgados.
El desarrollo de Methanobrevibacter en pacientes con anorexia puede estar asociado con un intento adaptativo hacia la explotación óptima de la dieta baja en calorías de los pacientes anoréxicos. Por lo tanto, un aumento de M. smithii conduce a la optimización de la transformación de los alimentos en dietas bajas en calorías. M. smithii también podría estar relacionado con el estreñimiento, una afección común en los pacientes anoréxicos. [3]
Los estudios observacionales muestran una fuerte asociación entre el tránsito intestinal retardado y la producción de metano. Los datos experimentales sugieren una actividad inhibidora directa del metano sobre el músculo liso colónico e ileal y un posible papel del metano como gasotransmisor . Las estatinas pueden inhibir la biosíntesis de la membrana celular de las arqueas aparentemente sin afectar el número de bacterias, como se ha demostrado en el ganado y los seres humanos. Esto abre la posibilidad de una intervención terapéutica que se dirija a un factor etiológico específico del estreñimiento al tiempo que protege el microbioma intestinal. Si bien en general se cree que las estatinas inhiben la producción de metano a través de su efecto sobre la biosíntesis de la membrana celular, mediada por la inhibición de la HMG-CoA reductasa , existe evidencia acumulada de un mecanismo de acción alternativo o adicional en el que las estatinas inhiben la metanogénesis directamente. Parece que este otro mecanismo puede predominar cuando se administra la forma lactona de las estatinas, en particular la lovastatina . [9]
El cromosoma PS de Methanobrevibacter smithii contiene un provirus derivado de la integración de un genoma de virus arqueal con cabeza y cola. [10] Se demostró que el provirus se inducía esporádicamente, lo que resultaba en la liberación de viriones con cápsides icoaédricas isométricas y colas largas no contráctiles (morfología similar a la de los sifovirus). [11] Se descubrió que el virus con cola 1 de Methanobrevibacter smithii (MSTV1) coexiste con su huésped en un equilibrio estable, con una relación virus-huésped promedio mantenida en ~0,1 tanto in vitro como in vivo. Una dinámica similar también es típica de los bacteriófagos que infectan las bacterias intestinales, lo que sugiere que los virus bacterianos y arqueales en el tracto gastrointestinal tienen convergencia de una estrategia de propagación similar. [11]
Bang, Corinna; Weidenbach, Katrin; Gutsmann, Thomas; Heine, Holgar; Schmitz, Ruth A. (2014). "Las arqueas intestinales Methanosphaera stadtmanae y Methanobrevibacter smithii activan las células dendríticas humanas". PLOS ONE . 9 (6): e99411. Bibcode :2014PLoSO...999411B. doi : 10.1371/journal.pone.0099411 . PMC 4051749 . PMID 24915454.
Kim, Gene; Deepinder, Fnu; Morales, Walter; Hwang, Laura; Weitsman, Stacy; Chang, Christopher; Gunsalus, Robert; Pimentel, Mark (diciembre de 2012). "Methanobrevibacter smithii es el metanógeno predominante en pacientes con estreñimiento, síndrome del intestino irritable predominante y metano en el aliento". Enfermedades digestivas y ciencias . 57 (12): 3213–3218. doi :10.1007/s10620-012-2197-1. PMID 22573345. S2CID 207113756.