Ekologi Mikrobioma Usus
Oleh: Zach Aanderud Ph.D.
Artikel ini menjelaskan ekologi dasar mikrobioma usus. Menyoroti tiga manfaat paling penting dari mikrobioma usus Anda termasuk perlindungan terhadap bahan kimia mikrobioma otak-usus
Di dalam setiap usus besar kita, hidup triliunan mikroorganisme yang secara kolektif membentuk organ pendukung di pusat kesehatan kita yang disebut mikrobioma usus. Usus kita memiliki kepadatan mikroorganisme tertinggi, yang sebagian besar terdiri dari bakteri, tetapi juga jamur, archaea, dan protista, dari semua bioma atau mikrobioma yang ada di Bumi. Lebih dari 5.000 spesies mikroorganisme yang berbeda dengan berat sekitar 2 kilogram atau 4,4 pon-hampir dua kali lebih berat dari otak kita-hidup di dalam saluran pencernaan kita (Bäckhed dkk, 2005; Sekirov dkk, 2009; Sender dkk, 2016). Kita sendiri merupakan gabungan dari bakteri dan manusia, dengan jumlah sel di dalam mikrobioma yang sama dengan jumlah sel kita sendiri.
Lebih lanjut, jika kita menyelidiki gen yang bertanggung jawab atas aktivitas tersebut, mikrobiota usus kita dapat mengekspresikan ≥ 100 kali lebih banyak gen daripada genom kita sendiri dengan 3,3 juta gen pengkodean yang unik dibandingkan dengan 23.000 gen di seluruh genom manusia (Amon dan Sanderson 2017).
Namun sebelum kita fokus pada berbagai fungsi yang beragam dan penting karena keragaman genetik mikrobioma usus kita, kita perlu membahas ekologi saluran pencernaan kita. Pada tingkat dasar, pencernaan kita terjadi di dalam sebuah ekosistem di mana komponen hidup (yaitu saluran pencernaan, mikrobioma usus) dan komponen tak hidup (yaitu makanan yang kita makan) berinteraksi. Mari kita uraikan masing-masing komponen ini.
Saluran Pencernaan
Meskipun ketersediaan nutrisi paling tinggi di dekat tempat penyerapan, lambung dan usus halus mengandung mikroorganisme dalam jumlah yang relatif kecil. Jumlah mikroba dibatasi di area ini karena pH isi lambung yang rendah, toksisitas mikroba dari garam empedu, dan aliran pencernaan yang relatif cepat. Lebih dari 90% pencernaan terjadi di lokasi-lokasi ini dengan konsentrasi oksigen yang relatif tinggi (Rinninella et al 2019).
Sebaliknya, usus besar di ujung distal saluran pencernaan Anda mempertahankan dan terus mencerna makanan Anda selama enam kali lebih lama daripada usus kecil dan melakukan beberapa layanan lain untuk kita dalam lingkungan rendah oksigen. Di dalam usus Anda, sel epitel usus Anda membentuk lapisan atau permukaan luminal atau lapisan saluran pencernaan. Lapisan ini memiliki dua fungsi utama: menyerap zat-zat yang berguna ke dalam tubuh dan membatasi masuknya zat-zat berbahaya atau mikroorganisme. Untuk menjalankan tugas ini dengan baik, sel epitel usus menghasilkan penghalang mukosa usus dari mukosa usus antara tubuh dan usus yang mencegah translokasi konten luminal yang tidak terkendali ke dalam tubuh dengan baik dan menampung bakteri di usus besar.
Mikrobioma Usus
Lebih dari 99% mikrobioma usus kita berada di usus besar dengan bakteri yang dapat berupa bakteri terkait mukosa yang memiliki dampak jangka panjang pada kesehatan kekebalan dan metabolisme karena kedekatannya dengan epitel (Juge 2022), atau lebih banyak bakteri yang hidup bebas yang melewati usus besar kita setiap hari. Bakteri yang menempati ceruk di lapisan mukosa adalah penghuni sejati usus besar kita, sedangkan bakteri yang hidup bebas hanya “menumpang” di usus kita. Dalam usus besar, lingkungan rendah oksigen, Anda akan menemukan bakteri anaerobik yang didominasi oleh filum bakteri Bacillota (sebelumnya Firmicutes), Bacteroidota, Actinomycetota, dan Psuedomonadota (sebelumnya Proteobacteria) dan genera Bacteroides, Clostridium, Faecalibacterium, Eubacterium, Ruminococcus, Peptococcus, Peptostrptococcus, dan Bifidobacterium (Rinninella et al. 2019). Genera lain seperti Escherichia dan Lactobacillus hadir dalam jumlah yang lebih sedikit.
Makanan Anda
Pada akhirnya, 60% dari massa kering tinja kita adalah bakteri mikrobioma usus. Kebutuhan karbon dan energi dari sejumlah besar bakteri dalam usus kita dipenuhi dari beberapa sumber: polifenol makanan yang kompleks, serat yang dapat dicerna, karbohidrat, protein, dan lemak lain yang lolos dari pencernaan, komponen sekresi inang (mukus), dan sel epitel yang terkelupas. Tingkat keanekaragaman bakteri yang mencengangkan dalam usus besar menunjukkan banyak sekali ceruk ekologi yang tercipta tidak hanya oleh fisiologi kita sendiri, tetapi juga melalui pengembangan jaring-jaring makanan yang kompleks di mana produk sampingan dari satu bakteri dapat menjadi substrat bagi bakteri lain (Walter 2008). Pola makan kita menentukan jenis makanan yang membantu mendiversifikasi mikrobioma kita.
Mikrobioma usus memberikan banyak sekali manfaat kesehatan yang penting, dan artikel ini akan menyoroti tiga hal-meningkatkan sistem kekebalan tubuh kita, menghasilkan vitamin/melawan racun, dan menghasilkan neurotransmiter yang berdampak pada kesehatan mental kita.
Peningkatan Kekebalan Tubuh
Mikrobioma usus yang sehat merupakan dorongan besar bagi sistem kekebalan tubuh Anda, atau jaringan kompleks organ, sel, dan protein yang melindungi tubuh kita dari infeksi. Bakteri penghuni usus besar kita mengubah kimiawi usus, sepenuhnya menempati ruang dalam usus, dan mengeluarkan protein antimikroba yang tidak termasuk patogen potensial. Bakteri dalam usus kita memetabolisme makanan melalui fermentasi dan menghasilkan asam lemak rantai pendek (SCFA) seperti asam asetat, butirat, dan propionat. SCFA ini meningkatkan respons kekebalan antibakteri inang dengan menurunkan pH lambung dan menghambat pertumbuhan patogen berbahaya seperti Clostridium difficile (Ouyang et al 2022). Clostridium difficile adalah patogen diare oportunistik yang bertanggung jawab atas morbiditas dan mortalitas yang signifikan di seluruh dunia yang umumnya disebabkan oleh pengobatan antibiotik (Gregory et al 2021).
Makanan yang mendukung peningkatan kadar SCFA adalah polifenol makanan, frukto-oligosakarida, serta karbohidrat dan serat yang tidak dapat dicerna seperti inulin, pati resisten, gusi, dan pektin. Selain itu, banyak bakteri residen dan transien dalam mikrobioma usus kita menghasilkan sejumlah kecil molekul antibakteri yang disebut bakteriosin (misalnya, mikrokin, enterosin, dan stafilokokus) yang memiliki kapasitas untuk menghilangkan patogen penjajah tertentu (Heilbronner et al. 2021). SCFA juga membantu menjaga integritas sel epitel usus.
Ketidakseimbangan mikro-organisme atau rusaknya penghalang mukosa meningkatkan permeabilitas epitel usus dalam proses yang disebut sebagai disbiosis. Sayangnya, disbiosis usus memperburuk berbagai penyakit autoimun termasuk rheumatoid arthritis, multiple sclerosis, dan penyakit celiac (Chang dan Choi 2023; Chen dan Vitetta 2021). Mikrobioma usus yang sehat secara dramatis membantu menjaga homeostasis dalam tubuh Anda yang mendukung sistem kekebalan tubuh yang berfungsi dengan baik.
Vitamin dan Racun
Vitamin tertentu, yang penting bagi kesehatan kita, hanya dihasilkan dalam mikrobioma usus kita. Sebagian besar vitamin harus disediakan secara eksogen dari sumber eksternal. Vitamin hadir dalam berbagai makanan, tetapi itu berarti kekurangan vitamin dapat terjadi karena pola makan yang buruk.
Tanpa diduga, mikrobioma usus kita dapat mensintesis vitamin secara de novo (dari awal), terutama lebih dari 30% vitamin K dan vitamin B seperti riboflavin, niasin, dan kobalamin (Nysten dan Dijick, 2023). Vitamin K diperlukan untuk kesehatan tulang, kognitif, dan jantung, dan kelompok vitamin B diperlukan untuk menjaga kesehatan secara keseluruhan, yang berdampak pada tingkat energi, fungsi otak, dan metabolisme sel.
Vitamin sangat penting bagi kesehatan kita, tetapi zat kimia lainnya sangat berbahaya bagi kita. Kita secara konsisten dibombardir dengan xenobiotik (yaitu zat kimia yang biasanya tidak ada di lingkungan organisme hidup) mulai dari polusi yang disebabkan oleh manusia hingga bahan tambahan makanan dan pestisida. Tanpa metabolisme mikrobioma usus kita, banyak xenobiotik yang akan mencapai konsentrasi beracun (Croom 2012). Karena keragaman genetik, usus yang sehat memiliki kapasitas metabolisme yang kuat untuk melakukan biotransformasi segudang xenobiotik yang jauh melebihi potensi metabolisme kita sendiri (Dikeocha et al 2022; Abdelsalam et al 2020).
Koneksi usus-otak
Otak dan mikrobioma usus Anda melakukan percakapan terus menerus melalui jutaan sel saraf. Koneksi usus-otak adalah sinyal biokimia yang terjadi antara bakteri yang hidup di saluran pencernaan dan sistem saraf pusat. Sinyal biokimia diprakarsai oleh neurotransmiter (Reynoso-Garcia et al 2022) seperti SCFA (Obata dan Pachnis 2016), 5-hydroxytryptamine (5-HT, serotonin), γ-aminobutyric acid (GABA; Pokusaeva et al 2017), dan hormon seperti kortisol (Valles-Colomer et al 2019). Bersama-sama, usus dan otak secara langsung atau tidak langsung memengaruhi emosi, kognisi, dan patofisiologi gangguan otak.
Sebagai contoh, 95% dari neurotransmitter serotonin kita dihasilkan di dalam usus, yang mengatur emosi (misalnya suasana hati, tidur, pencernaan, mual, penyembuhan, kesehatan tulang, pembekuan darah, dan hasrat seksual; Terry dan Margolis 2017). Penyakit neuropsikiatri lain seperti gangguan depresi juga terkait dengan disbiosis usus. Secara umum, penurunan bakteri Bacillota menyumbang penurunan SCFA dengan depresi, yang mempengaruhi penghalang usus (Huang et al 2018). Lebih lanjut, tingkat Bifidobacteria juga berkurang pada depresi dan pengenalan kembali spesies probiotik seperti Bifidobacterium longum dan Bifidobacterium breve mengurangi perilaku depresi dan meningkatkan sekresi 5-hidroksiotriptofan dan butirat (Tian et al. 2019).
Pada akhirnya, ketika kita memiliki firasat, kupu-kupu dalam perut kita, atau kita mempercayai firasat kita, kita mendengarkan, sebagian, pada crosstalk antara mikrobioma usus dan otak Anda.
Bersama dengan mikrobioma usus kita, kita membentuk “organisme super”. Kita saling bergantung satu sama lain. Dengan triliunan sel, ribuan spesies yang berbeda, dan fungsi gen yang relatif tidak terbatas, mikrobioma usus kita menjalankan fungsi harian yang penting dalam hidup kita yang sering kali kita remehkan. Kita perlu menghargai dan memelihara mikrobioma kita sehingga kita dapat sepenuhnya mendapatkan manfaat dari pusat-pusat kesehatan kita.
Tentang Penulis
Zach Aanderud memiliki gelar Ph.D. dan merupakan profesor ekologi mikroba dan biogeokimia di Brigham Young University. Beliau lahir dan dibesarkan di Portland, Oregon, dan mengenyam pendidikan di BYU, University of California Davis, dan Michigan State University.
Referensi
Abdelsalam NA et al (2020) Toksikomikrobiomik: mikrobioma manusia vs xenobiotik farmasi, makanan, dan lingkungan. Front Pharmacol 11. DOI: 10.3389/fphar.2020.00390
Amon P dan Sanderson I (2017) Apa itu mikrobioma. Arch Dis Child Educ Pract Ed 102: 258-261. DOI: 10.1136/archdischild-2016-311643
Bäckhed F et al (2005) Mutualisme inang-bakteri dalam usus manusia. Science 307: 1915-20. DOI: 10.1126/science.1104816
Chang S dan Choi Y (2023) Disbiosis usus pada penyakit autoimun: hubungan dengan kematian. Front Cell Infect Microbiol 31. DOI: 10.3389/fcimb.2023.1157918
Chen J dan Vitetta L (2021) Disbiosis usus pada penyakit celiac: penurunan produksi buyturat dapat memfasilitasi timbulnya penyakit. PNAS 118: 41 e2113655118. DOI: 10.1073/pnas.2113655118
Croom E (2012) Metabolisme xenobiotik lingkungan manusia. Prog Mol Biol Transl Sci 112: 31-88. DOI: 10.1016/B978-0-12-415813-9.00003-9
Dikeocha IJ et al (2022) Farmakomikrobiomik: pengaruh mikrobiota usus pada metabolisme obat dan xenobiotik. FASEB 36:6. DOI: 10.1096/fj.202101986R
Gregory AL, Pensinger DA, Hryckowian AJ (2021) Pandangan berpusat pada asam lemak rantai pendek tentang patogenesis Clostridioides difficile. PLoS Pathog 17: 10 e1009959. DOI 10.1371/journal.ppat.1009959
Heilbronner S et al (2021) Peran bakteriosin dalam membentuk mikrobioma. Ulasan Alam Mikrobiologi 19: 726-739. DOI: 10.1038/s41579-021-00569-w
Huang Y et al (2018). Kemungkinan hubungan Firmicutes dalam mikrobiota usus pasien dengan gangguan depresi mayor. Neuropsikiatri Dis Treat 14: 3329-3337. DOI: 10.2147/NDT.S188340
Juge N (2022) Hubungan antara mikrobiota usus yang terkait dengan mukosa dan penyakit manusia. Biochem Soc Trans 50(5): 1225-1236. DOI: 10.1042/BST20201201
Knudsen JK et al (2021) Transplantasi mikrobiota tinja dari pasien dengan depresi atau individu sehat ke dalam tikus memodulasi perilaku yang berhubungan dengan suasana hati. Sci Rep 11: 21869. DOI: 10.1038/s41598-021-01248-9
LeBlanc et al (2013) Bakteri sebagai pemasok vitamin ke inangnya: perspektif mikrobiota usus. Opini Terkini Bioteknologi 24: 2. DOI: 10.1016/j.copbio.2012.08.005
Obata Y dan Pachnis V (2016) Pengaruh mikrobiota dan sistem kekebalan tubuh terhadap perkembangan dan organisasi sistem saraf enterik. Gastroenterologi 151: 836-844. DOI: 10.1053/j.gastro.2016.07.044
Ouyang Z et al (2021) Peran asam lemak rantai pendek dalam infeksi Clostridioides difficie: Sebuah ulasan. Anaerob 75: 102585 DOI: 10.1016/j.anaerobe.2022.102585
Pokusaeva K, dkk (2017). Bifidobacterium dentium penghasil GABA memodulasi sensitivitas viseral dalam usus. Neurogastroenterol Motil 29: e12904. DOI: 10.1111/nmo.12904
Reynoso-Garcia et al (2022) Panduan lengkap untuk mikrobioma manusia: Relung tubuh, penularan, perkembangan, disbiosis, dan pemulihan. Front Syst Biol 2. DOI: 10.3389/fsysb.2022.951403
Rinninella E et al (2019). Bagaimana komposisi mikrobiota usus yang sehat? Ekosistem yang berubah seiring bertambahnya usia, lingkungan, pola makan, dan penyakit. Mikroorganisme 7: E14. DOI: 10.3390/microorganisms7010014
Savage DC (1977) Ekologi mikroba dari saluran pencernaan. Annu Rev Microbiol 31:107-33. DOI: 10.1146/annurev.mi.31.100177.000543
Sekirov I, Russell SL, Antunes LC, Finlay BB (2019) Mikrobiota usus dalam kesehatan dan penyakit. Physiol. Pendeta. 90:859-904. DOI: 10.1152/physrev.00045.2009.
Sender et al (2016) Revisi Perkiraan Jumlah Sel Manusia dan Bakteri di dalam Tubuh. PLOS Biol 14: e1002533. DOI: 10.1371/journal.pbio.1002533
Valles-Colomer, M., Falony, G., Darzi, Y., Tigchelaar, E. F., Wang, J., Tito, R. Y., dkk. (2019). Potensi neuroaktif dari mikrobiota usus manusia dalam kualitas hidup dan depresi. Nat. Microbiol. 4, 623-632. doi:10.1038/s41564-018-0337-x
Terry N dan Margolis KG (2017) Mekanisme Serotonergik yang Mengatur Saluran Pencernaan: Bukti Eksperimental dan Relevansi Terapi. Handb Exp Pharmacol 239. (2017): 319-342. DOI: 10.1007/164_2016_103
Tian P et al (2019) Menelan Bifidobacterium longum subspesies infantis strain CCFM687 mengatur perilaku emosional dan jalur BDNF pusat pada tikus depresi yang diinduksi stres kronis melalui pembentukan kembali mikrobiota usus. Fungsi Makanan 10: 7588-7598. DOI: 10.1039/c9fo01630a
