O vplyve črevných baktérií na atletický výkon

Tento blog je skrátenou verziou témy, ktorú diskutujem v podcaste Pravidelná Dávka, kde spolu s Jakubom Betinským a Andrejom Zemanom preberáme zaujímavé témy z oblasti filozofie, vedy, náboženstva, bioinžinierstva, či syntetickej biológie. Celý podcast si môžete vypočuť TU. 

Črevný mikrobióm je témou, ktorá si v posledných rokoch vyslúžila značnú pozornosť odborníkov z rôznych vedných disciplín – a to úplne oprávnene. Inžinierom, vedcom a lekárom sa totiž prostredníctvom širokého spektra metód podarilo zistiť, že jeho zloženie má mimoriadne dôležitý vplyv nielen na naše zdravie, ale aj na náš psychický, či fyzický výkon. V tomto blogu chcem preto napísať viac o o čerstvom výskume vzťahu medzi zložením mikrobiómu v črevách a športovým výkonom u myšiek, aj u špičkových atlétov, ktorý nedávno viedli harvardskí vedci Alex Kostic a George Church.

Čo to teda je ten črevný mikrobióm? Črevný mikrobióm je súhrnný názov pre komplexnú komunitu mikroorganizmov, teda jednobunkovcov a ich kolónií, ktoré žijú v tráviacom trakte ľudí, cicavcov, či dokonca aj hmyzu. V prípade ľudí sa takto v črevách nachádza tá najväčšia a najrozmanitejšia komunita baktérií v našom tele. Je zaujímavé, že podľa najnovších odhadov z roku 2016 sa v ľudskom tele nachádza asi 30 biliónov ľudských buniek, zatiaľ čo počet baktérií v ľudskom tele je asi 38 biliónov – viac ako je celkový počet buniek v našom tele, no nie 10 krát viac, ako sa pôvodne myslelo.

Vzťah medzi organizmami v črevnom mikrobióme a ľudským organizmom nie je neutrálny a často je vzájomne výhodný: niektoré mikroorganizmy sa napríklad môžu vyživovať vlákninou prijatou z potravy a následne ju transformovať na nasýtené mastné kyseliny s krátkym reťazcom (ako je napríklad butyrická kyselina). Tie následne človek dokáže absorbovať a využiť, napríklad na zníženie zápalovej odpovede ľudského tela. Zloženie populácie mikroorganizmov v hrubom čreve môže byť do veľkej miery ovplyvnené stravovaním, či geografickým pôvodom, čo dáva zmysel; eskimák, ktorý žije prevažne na mäse a tuku totiž potrebuje spracovávať potravu odlišne ako indický vegetarián.

Zloženie črevnej mikroflóry do značnej miery ovplyvňuje naše zdravie. Zdá sa napríklad, že rozvoj triedy ochorení popisovanej pojmom „Inflammatory bowel diseases“ (IBS) alebo idiopatické črevné zápaly,  môže byť ovplyvnený vzťahom medzi baktériami a hostiteľom. Ako negatívny faktor sa tu spomína napríklad strata rôznorodosti druhov bakteriálnej populácie. Vidno, že ak sa začne strácať rozmanitosť , nastanú problémy – či už ide o komunitu baktérií v črevách, alebo o alebo ľudskú spoločnosť.

Ďalej sa zdá, že baktérie v našich črevách nie sú fanúšikmi typického spôsobu stravovania, ktorý na v našej spoločnosti praktizujeme. Naša strava, ktorej často chýba dostatok vlákniny a má, naopak, prebytok cukru a rôznych pro-zápalových potravín, vedie k zmenám v zložení mikrobiómu, napríklad k už spomínanej strate rozmanitosti populácie baktérií. Zjednodušene povedané, zdá sa, že znížená rozmanitosť baktérií potom môže vyvolávať chuť na špecifický typ jedla – hlavne na to nezdravé a sladké! Takže by ste mali počúvať mamu, keď vám hovorí, aby ste jedli zeleninu. A ešte nepiť alkohol, ale to už je iná téma.

Okrem toho môže hrať pokazený črevný mikrobióm úlohu aj v prípade ochorení pečene, rakoviny hrubého čreva, rozvoji astmy, či dokonca rozvoji depresie a iných psychiatrických ochorení, keďže v posledných rokoch sa nám podarilo zistiť, že medzi mozgom a tráviacim traktom prebieha čulá výmena signálov.

Poďme však už k výskumu Alexa Kostica a Georgea Churcha. George Chruch sa okrem najlepšieho kandidáta na Santa Clausa v ďalšom vianočnom filme (schválne, vygooglite si jeho obrázok) považuje za doslovného otca syntetickej biológie a z jeho monumentálneho laboratória na Harvarde prichádza fantastický výskum týkajúci sa kombinácie syntetickej biológie, strojového učenia, proteínového dizajnu a iných zaujímavých vecí.

Výskumníci na začiatku spomínaného výskumného projektu prišli s hypotézou, že mikrobióm, napriek tomu, že je odlišný a unikátny u každého človeka, musí v prípade elitných atlétov obsahovať spoločné baktérie, ktoré pomáhajú pri športovom výkone a pri regenerácii a tak by sa mohli stať základom pre probiotiká značne zlepšujúce športový výkon. Biohackeri: Toto je extra trieda, čo?

Vedci teda zobrali 15 bežcov z bostonského maratónu v roku 2015 a odoberali vzorky ich stolice počas dní pred maratónom aj po maratóne.  Tieto vzorky následne porovnávali so vzorkami odobranými od 10 dobrovoľníkov, ktorí majú sedavý životný štýl.

V prípade maratóncov sa im podarilo zistiť zvýšené zastúpenie baktérií rodu Veillonella vo vzorkách stolice. Tieto baktérie následne vedci transplantovali do laboratórnych myšiek a nechali ich behať na bežiacom páse v laboratóriu ako o dušu. Výsledok? 13 percentný nárast vo výkone (meranom časom do zlyhania v behu) v porovnaní s kontrolnou skupinou myšiek, ktoré nedostali žiadne baktérie.

Že to znie šialene? A že to nedáva logiku? Nuž, dáva! Výskumníkom sa totiž podarilo potvrdiť, že baktérie rodu Veillonella dokážu rozkladať laktát, kyselinu mliečnu, o ktorej vieme, že sa v prípade dlhej svalovej záťaže akumuluje vo svaloch, čo je jedným z faktorov zodpovedných za zníženie výkonu svalu a jeho akútnu bolesť (fenomén, ktorý poznáme ako svalovicu).

Spomínaný rod baktérií navyše dokáže pomocou istej metabolickej dráhy z kyseliny mliečnej vytvárať propionát, ktorý nadôvažok zvyšuje odolnosť tela voči záťaži vyvolanej cvičením. V štúdii sa dokonca podarilo ukázať, že aj samotné podávanie propionátu priamo do… konečníka myší (toto na ľuďoch neskúšali!) zvyšuje výkon.

To, že baktérie rodu Veillonella dokážu konzumovať kyselinu mliečnu, ktorá je zodpovedná za svalovicu, sa vedelo už dávnejšie. Inžinierom sa však pomocou bioinformatickej analýzy podarilo zistiť, že istý špecifický druh baktérie, Veillonella atypica, dokáže samostatne zvýšiť výkon myšiek na bežiacom páse.

Môžete však namietať:  „Veď ten laktát sa produkuje vo svaloch, čo to má s nejakými baktériami v črevách?“ Nuž Profesor Church a spol. ukázali ako prví, že laktát dokáže z krvi, kam sa dostane z pracujúcich svalov, preniknúť aj do čriev, kde ho Veillonella môže schuti konzumovať (spracovávať).

Dopady štúdie sú zaujímavé a majú zaujímavé dôsledky. Vedci si napríklad myslia, že by ich výskum mohol byť jedným z vysvetlení faktu, že diabetici, ktorí sú zvyknutí viac cvičiť, majú oveľa lepšie vyhliadky a miernejší príbeh choroby.

Aj vás napadlo, že by to bol skvelý biznis? Napríklad, že by ste mohli vyrábať špecializované probiotiká obsahujúce baktériu Veillonella atypica a predávať ju napríklad vrcholovým atlétom ako povolený doping? Sklamem vás, už je neskoro. Jeden z autorov štúdie, Dr. Scheiman, bývalý profesionálny basketbalista, už založil start-up FitBiomics, ktorý sa snaží hľadať v génoch a črevách profesionálnych atlétov tie správne zložky a robiť z nich nadupané probiotiká zvyšujúce výkon a zlepšujúce regeneráciu.

Takže o pár rokov už maratón možno zabehne každý z nás – vďaka maličkým organizmom prebývajúcim v našom vnútri.

Aké tri hlavné lekcie by sme si mali odniesť z tohto blogu? 

1. Črevný mikrobióm, súbor mikroorganizmov žijúci v črevách má obrovský vplyv na naše zdravie.
2. Zdá sa, že elitní atléti majú špecifické zloženie črevného mikrobiómu, ktoré im umožňuje rýchlejšie regenerovať a vzdorovať únave.
3. Baktérie rodu Veillonella dokážu transformovať kyselinu mliečnu na propionát, ktorý zlepšuje výkon atlétov.

Kredit za cool novinky patrí skvelým vedcom a inžinierom, kritika za chyby a nepresnosti patrí mne. Ak nájdete chybu, alebo ak vás zaujíma téma ďalej, píšte na miroslav.gasparek15@imperial.ac.uk.

Referencie:

Originálna štúdia o analýze črevného mikrobiómu a jeho súvislosti s atletickým výkonom.

Zaujímavá a relatívne prístupná štúdia o vplyve našej stravy na črevný mikrobióm.