Un naso per i microbi: come la fame regola il cervello
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Una nuova ricerca della Fondazione Champalimaud (CF) rivela come la mancanza di un solo aminoacido essenziale possa modificare l'espressione genica e i sistemi sensoriali del cervello, spingendo gli animali a cercare lieviti e batteri intestinali ricchi di proteine che li aiutino a ripristinare l'equilibrio nutrizionale e a sopravvivere nei momenti di bisogno.
Il formaggio e il cioccolato possono essere poco interessanti dal punto di vista culinario per un moscerino della frutta, ma per una persona priva di sostanze nutritive il loro aroma nasconde un indizio importante.
Carla Emilie Pereira
Indizi fermentati
Il formaggio e il cioccolato potrebbero non tentare il palato di un moscerino della frutta, ma per una mosca affamata e a corto di nutrienti, il loro odore porta un segnale nascosto. Quando vengono privati di alcuni aminoacidi - i mattoni delle proteine - questi piccoli insetti sviluppano un olfatto sorprendentemente raffinato che li aiuta a rintracciare non solo il cibo, ma anche specifici batteri che vivono negli alimenti fermentati.
Da anni gli scienziati sanno che gli animali sono in grado di percepire la mancanza di alcuni nutrienti e cercano attivamente gli alimenti per compensarli. Ciò che è rimasto poco chiaro è come il cervello traduca questo bisogno nutrizionale interno in una spinta comportamentale - come un "bisogno" fisiologico diventi un "desiderio" sensoriale. Questa è stata la domanda che ha motivato i ricercatori del Laboratorio di Comportamento e Metabolismo della FC, guidati dal ricercatore principale Carlos Ribeiro, autore senior dello studio.
Una storia di due geni
Gli animali, compreso l'uomo, non sono in grado di produrre tutti gli aminoacidi di cui hanno bisogno. Questi cosiddetti aminoacidi essenziali (o eAA) devono provenire dal cibo. Se ne manca anche solo uno, la chimica interna dell'organismo cambia drasticamente: la sintesi proteica vacilla, il metabolismo rallenta e il cervello stimola un appetito specifico per gli alimenti ricchi di proteine.
Nei moscerini della frutta questo comportamento è facile da osservare: se si toglie un solo aminoacido essenziale dalla loro dieta, i moscerini iniziano a cercare il lievito, la loro principale fonte di proteine. Ma l'équipe di Ribeiro voleva sapere cosa succedeva nel cervello per far sì che si verificasse questo cambiamento.
Utilizzando diete sintetiche che mancavano di uno dei dieci aminoacidi essenziali, i ricercatori hanno sequenziato l'RNA (acido ribonucleico) dalle teste delle mosche in undici condizioni diverse: dieci diete prive di aminoacidi e una di controllo completamente bilanciata. In questo modo hanno potuto seguire come cambiava l'espressione di migliaia di geni a seconda dell'aminoacido mancante.
"Mentre il comportamento delle mosche era simile in tutte le privazioni di aminoacidi, mostrando una maggiore spinta a nutrirsi, ogni privazione aveva la sua 'impronta digitale' unica in termini di espressione genica", dice Gili Ezra-Nevo, primo autore dello studio. "Ma nonostante queste differenze, alcuni geni sono cambiati allo stesso modo, indipendentemente dall'aminoacido mancante".
Tra questi cambiamenti condivisi, spicca un modello: due geni dei recettori olfattivi, entrambi coinvolti nell'olfatto, sono stati costantemente regolati in risposta alla privazione di aminoacidi. Questi geni - Or92a e Ir76a - sono diventati la chiave per capire come l'olfatto delle mosche sia regolato per soddisfare le loro esigenze.
Il legame con il lievito: come l'olfatto modella il sapore
Il primo recettore, Or92a, era già noto per rispondere al diacetile, una molecola che conferisce al popcorn aromatizzato al burro il suo aroma caratteristico e contribuisce all'odore del vino e della birra. Il lievito produce diacetile durante la fermentazione e, poiché il lievito contiene tutti gli aminoacidi essenziali, è logico che questo odore sia particolarmente attraente quando le mosche sono prive di proteine.
Quando i ricercatori hanno testato mosche prive di Or92a, gli insetti erano ancora in grado di individuare il lievito, ma se ne nutrivano meno. "Riuscivano a sentire dove si trovava, ma non avevano lo stesso sapore", spiega Ezra-Nevo. "Questo perché l'olfatto non serve solo a trovare il cibo, ma contribuisce anche al sapore e alla valutazione della palatabilità".
Il team ha fatto un ulteriore passo avanti, utilizzando un ceppo mutante di lievito che non produceva diacetile. Il risultato è stato lo stesso: le mosche avevano meno probabilità di nutrirsi. La perdita di questo indizio olfattivo chiave ha alterato il loro senso del sapore, rendendo il cibo meno attraente. Proprio come gli esseri umani perdono l'appetito o il piacere del cibo quando hanno il naso chiuso, le mosche si affidano a una stretta interazione tra olfatto e gusto per regolare l'alimentazione.
I "neuroni del cioccolato" nel cervello?
Il secondo recettore, Ir76a, si è rivelato ancora più misterioso. Cercando nella letteratura microbiologica e alimentare, i ricercatori hanno scoperto che gli alimenti fermentati come il formaggio e il cioccolato emettono un composto chiamato PEA, che attiva Ir76a.
I test hanno dimostrato che i neuroni olfattivi delle mosche rispondevano fortemente all'odore del cioccolato, ma non a quello del formaggio. Avevano trovato i "neuroni del cioccolato" nel cervello? Non proprio. Poiché le mosche non si nutrono normalmente di cioccolato o formaggio, il team ha scavato più a fondo e ha trovato il vero collegamento: entrambi gli alimenti sono fermentati da batteri Lactobacillus e Acetobacter, che producono lo stesso composto.
"È stato allora che le cose sono scattate", spiega Sílvia Henriques, coautrice dello studio. "Le mosche non erano attratte dal cioccolato in sé, ma rispondevano ai batteri che crescevano in quegli alimenti. E questi batteri sono anche residenti naturali del microbioma delle mosche".
Quando i ricercatori hanno esposto le mosche a batteri vivi di Lactobacillus e Acetobacter, i neuroni Ir76a hanno risposto in modo ancora più forte. Gli esperimenti comportamentali hanno confermato il legame: le mosche private di aminoacidi hanno aumentato attivamente l'alimentazione con i batteri, ma solo quando questi erano vivi e metabolicamente attivi. I batteri morti non si nutrivano più. In altre parole, le mosche cercavano i batteri per i loro benefici metabolici.
Quando il team ha eliminato il recettore Ir76a, le mosche hanno perso completamente interesse, anche quando erano prive di nutrienti. "Questo è stato il risultato più sorprendente", dice Ezra-Nevo. "Ha dimostrato che l'olfatto delle mosche era letteralmente sintonizzato per rilevare i batteri e che questa sintonizzazione dipendeva dal loro stato nutrizionale interno. La privazione di aminoacidi non cambiava solo l'attività neurale, ma anche i recettori che venivano prodotti".
Alleati microbici nelle mosche e in noi
Perché una mosca dovrebbe cercare i batteri quando gli aminoacidi scarseggiano? Ricerche precedenti avevano dimostrato che l'alimentazione con determinati batteri migliora la produzione di uova nelle mosche prive di aminoacidi. Altri studi hanno rivelato che il microbioma intestinale può aumentare l'assorbimento degli aminoacidi in condizioni di scarsità di nutrienti, producendo enzimi che scompongono le proteine in modo più efficiente.
"Seguendo il loro fiuto per i batteri, sembra che le mosche si siano evolute per usare i microbi come alleati, cercando partner che aumentano le loro possibilità di sopravvivenza quando sono sfidate dalla privazione di aminoacidi", dice Henriques.
I paralleli con gli esseri umani sono intriganti. Molte diete tradizionali includono cibi fermentati - dal kimchi allo yogurt e al kefir - da tempo apprezzati per le loro proprietà conservanti, ma una parte poco apprezzata del loro fascino potrebbe essere quella di ospitare batteri benefici che aiutano la digestione e l'assorbimento dei nutrienti.
I risultati suggeriscono che il nostro appetito per i cibi fermentati può derivare in parte da un'antica logica biologica. Quando i nutrienti scarseggiano, l'organismo sembra sintonizzare i propri sistemi sensoriali per individuare ciò di cui ha bisogno, a volte rilevando i microbi piuttosto che i macronutrienti.
Sensi in movimento
Questo studio tocca una questione più ampia della biologia: come gli stati fisiologici interni modellano la percezione e il comportamento. L'idea che la fame possa alterare l'elaborazione sensoriale e l'attività neurale non è nuova, ma questa ricerca si spinge oltre, dimostrando che, in caso di privazioni nutrizionali multiple, alcuni recettori sensoriali vengono riprogrammati a livello molecolare per migliorare la forma fisica.
In altre parole, il cervello delle mosche non si limita a interpretare la fame, ma cambia fisicamente il modo in cui percepisce il mondo per soddisfarla. Anche se spesso pensiamo che i sensi siano fissi, in realtà sono straordinariamente dinamici. Lo studio del Laboratorio Ribeiro mostra che quando le mosche mancano di aminoacidi essenziali, subiscono cambiamenti nell'espressione genica che le aiutano a individuare gli alimenti - o i microbi - che possono risolvere il deficit e aiutarle ad adattarsi alle sfide nutrizionali. È un esempio lampante di quanto il metabolismo, il cervello e il comportamento possano essere profondamente intrecciati.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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