B1-vitamiini (Tiamiini)

B1-vitamiinin eli tiiamiinin biosynteesireitti on aineenvaihduntaprosessi, jonka avulla suolistomikrobiston tietyt bakteerit tuottavat tiamiinia, joka on välttämätön hivenravinne solujen energia-aineenvaihdunnalle. Isäntä voi suoraan imeä tämän mikrobiperäisen vitamiinin paksusuolen tasolla. Lisäksi mikrobien tämän synteesikyvyn menetys voi vaikuttaa mikrobiyhteisöön.

Tietyt suolistobakteerimme pystyvät syntetisoimaan B1-vitamiinia (tiamiinia) tyhjästä. Tämä prosessi tapahtuu kahden riippumattoman reitin kautta, jotka tuottavat esiasteita (nimeltään HET-P ja HMP-PP). Nämä reitit yhtyvät viimeisessä vaiheessa, jossa spesifiset entsyymit yhdistävät ne vitamiinin toiminnalliseen muotoon (tiamiinimonofosfaatti). Lukuun ottamatta Firmicutes-heimoa, useat bakteeriheimot syntetisoivat tiamiinimonofosfaattia, erityisesti Bacteroidetes ja Fusobacteria.

Ulkoiset tekijät, kuten puutteellinen ruokavalio tai pitkäaikainen lääkitys, voivat muuttaa näiden tuottajabakteerien populaatiota ja siten vähentää saatavilla olevaa tiamiinia. Tämä puutos ei ainoastaan vaikuta energian tuotantoon paksusuolessamme, vaan muuttaa myös tämän ravinnonlähteen varassa elävien hyödyllisten bakteerien selviytymistä, rikkoen ekosysteemin tasapainoa.

Solutasolla tiamiini on välttämätön kofaktori kriittisille entsyymeille, jotka osallistuvat hiilihydraattien aineenvaihduntaan ja energiantuotantoon (ATP), kuten pyruvaattidehydrogenaasi. Jatkuva biosynteesi suolistomikrobistomme toimesta varmistaa suoran saannin paksusuolessa. Siellä paksusuolen solut (colonocytes) imeytyvät tehokkaasti spesifisten kalvokantajien (kuten THTR-1 ja THTR-2) kautta tyydyttämään korkeaa energiantarvettaan.

Tämän vitamiinin vaikutus ulottuu kuitenkin paljon pidemmälle kuin solujen ravitsemiseen. Paikallinen tiamiini on elintärkeä muille hyödyllisille suolistobakteereille (kuten Faecalibacterium) lyhytketjuisten rasvahappojen (SCFA), erityisesti butyraatin, tuottamiseksi. Tämä yhdiste on yksi suurimmista suoliston suojaajista: se vähentää tulehdusta ja vahvistaa limakalvoa.

Tiamiinin de novo biosynteesin arviointi suoritetaan metagenomisella Shotgun-sekvensoinnilla, kvantifioiden aineenvaihduntareitin globaalia geneettistä potentiaalia suolistosi ekosysteemissä. Bioinformatiivinen algoritmimme jäljittää ja kartoittaa tiamiinipyrofosfaatin biosynteesin superreitin muodostavien geenien ja operonien runsauden. Erityisesti etsitään keskeisten ja rajoittavien geenien, kuten thiC (pyrimidiinifraktion syntasa) ja thiG (tiazolifraktiosyntasa), sekä thiD ja thiE mahdollista ilmentymistä.

Ekologisella tasolla B1-vitamiinin de novo synteesi on kallis aineenvaihdunnallinen "ylellisyys". Lajit, jotka pystyvät suorittamaan tämän täydellisen prosessin, kuuluvat pääasiassa Bacteroidetes-phylumoon (esim. Bacteroides fragilis, Prevotella copri) sekä tiettyihin Proteobacteria- ja Fusobacteria-phylumoon. Ylivoimaisesti suurin osa Firmicutes-phylumoon kuuluvista bakteereista puuttuu tästä täydellisestä koneistosta.

Korkea kapasiteetti heijastaa vahvaa ja yhteistyöhön perustuvaa ravintoverkostoa. Ekosysteemi on energiansa suhteen omavarainen ja ehkäisee lyhytketjuisia rasvahappoja tuottavien, auksoottisten bakteerien romahdusta. Alhainen kapasiteetti kuitenkin varoittaa ekologisesta haavoittuvuudesta ("aineenvaihdunnallinen hauraus"). Ekosysteemi on kriittisesti riippuvainen tiamiinin ravinnosta. Interventio: Kliininen strategia vaatii ruokavalion optimointia (lisäämällä auringonkukansiemenien, macadamiapähkinöiden ja palkokasvien kulutusta) ja suun kautta otettavan B1-vitamiinilisän (esim. benfotiamiini) harkintaa sen varmistamiseksi, ettei isäntä eikä hyödylliset bakteerit joudu energiapulaan, tukemalla prebiooteilla Bacteroidetes-phylumon stimuloimiseksi.