Ваши кишечные бактерии могут менять количество усваиваемых калорий
Количество калорий, указанное на упаковке, может не соответствовать тому, сколько энергии на самом деле усваивает ваш организм.
Калорийность на этикетке продукта может казаться прямым показателем энергии, которую вы получите при его употреблении. Но число на упаковке не обязательно совпадает с теми калориями, которые действительно усваивает организм. Одна из причин в том, что пищеварение — это не только расщепление пищи. Оно также зависит от триллионов микроорганизмов, живущих в вашей пищеварительной системе.
Исследователи из Университета штата Аризона разработали математическую модель, исследующую эту часто упускаемую из виду часть пищеварения. Модель получила название DAMM — сокращение от digestion, absorption and microbial metabolism (перевод: «переваривание, всасывание и микробный метаболизм»). Она отслеживает, как пища перемещается по пищеварительному тракту, сколько энергии организм усваивает непосредственно и как кишечные микробы перерабатывают оставшиеся компоненты. Модель также оценивает, какие продукты переваривания всасываются, а какие выводятся из организма как отходы.
Учитывая взаимосвязь между рационом, человеческим пищеварением и кишечными бактериями, исследователи надеются улучшить понимание ожирения, диабета и других метаболических нарушений. В дальнейшем этот подход может помочь медицинским специалистам разрабатывать диеты, адаптированные под конкретных пациентов.
«Пищеварение — это не только человеческий процесс: это сотрудничество нашего тела и триллионов микробов, живущих в кишечнике», — сказала профессор Роза Краймалник-Браун. «DAMM дает нам мощный новый способ quantitatively оценивать вклад этих микробных партнеров в здоровье человека и энергетический баланс, а также подчеркивает важность правильного питания наших кишечных микробов».
Краймалник-Браун является директором Центра биодизайна ASU по вопросам здоровья через микробиомы и профессором в Школе устойчивой инженерии и застроенной среды университета.
В исследовательскую команду также вошли профессор ASU Брюс Риттманн, директор Центра экологической биотехнологии Biodesign Swette и почетный профессор экологической инженерии, а также автор статьи, аспирант и научный сотрудник Тейлор Дэвис. В проекте сотрудничали ученые из Института трансляционных исследований AdventHealth в Орландо, Флорида.
Результаты опубликованы в PLOS One.
Почему традиционные подсчеты калорий упускают часть картины
Более ста лет ученые используют систему, основанную на параметрах Атватера, чтобы оценить, сколько энергии человек может получить из пищи. Этот метод присваивает средние значения калорийности на грамм жиров, углеводов и белков и затем использует эти значения для расчета общей доступной энергии.
Хотя подход практичен и широко используется, он не может полностью объяснить процессы, происходящие при пищеварении. В частности, он не учитывает, как разные продукты питают кишечные бактерии и как эти бактерии превращают непереваренные компоненты в вещества, которые организм может использовать в качестве энергии.
Один важный пример — короткоцепочечные жирные кислоты. Эти соединения образуются, когда микробы в толстой кишке расщепляют клетчатку и другие компоненты пищи, прошедшие через верхние отделы пищеварительного тракта без всасывания. Некоторые из этих жирных кислот могут попадать в кровоток и обеспечивать дополнительные калории.
Чтобы лучше понять такие взаимодействия, исследователи опирались на предыдущее контролируемое диетическое исследование, изучавшее, как микробиом кишечника влияет на энергетический баланс человека. Кишечный микробиом — это огромное сообщество бактерий и других микроорганизмов, населяющих пищеварительную систему.
Высокое содержание клетчатки в диете приводило к снижению усвоенных калорий на 116 в день
В клиническом исследовании здоровые взрослые придерживались одного из двух специально разработанных планов питания. Первый — диета, усиливающая микробиом, содержала значительное количество клетчатки и резистентного крахмала (менее переработанные продукты и продукты с большей размерностью частиц). Резистентный крахмал — это тип углеводов, который избегает значительной части обычного переваривания в тонкой кишке и достигает толстой кишки, где его могут расщеплять микробы.
Второй план питания напоминал типичную западную диету с меньшим содержанием клетчатки и резистентного крахмала (более переработанные продукты и мелкая фракция).
Несмотря на то что обе диеты были специально разработаны для исследования, участники усваивали заметно разное количество энергии. Те, кто потреблял западную диету, усваивали примерно на 116 калорий в день больше, чем те, кто ел диету с высоким содержанием клетчатки.
Возможно не менее важно, что люди, соблюдавшие диету с повышенным содержанием клетчатки, не сообщали о повышенном чувстве голода.
Результаты указывают на то, что количество энергии, которое человек получает из пищи, частично зависит от ее состава и от того, как она проходит через пищеварительную систему. Обработка пищи, содержание клетчатки и микробная активность могут по-разному влиять на конечный результат.
«То, что действительно уникально в модели DAMM, — это количественная связь человеческого метаболизма с метаболизмом микроорганизмов в толстой кишке таким образом, что результаты соответствуют данным клинического исследования и дают фундаментальное понимание того, как микробное сообщество работает в партнерстве с человеческим хозяином», — сказал Риттманн.
Кишечные бактерии могут обеспечивать около 140 калорий в день
Модель DAMM предлагает более детальный способ отслеживания энергии, содержащейся в пище, с момента ее попадания в пищеварительную систему.
Сначала она анализирует содержание белков, углеводов и жиров в рационе человека и оценивает, сколько пригодной для использования энергии всасывается в верхних отделах желудочно-кишечного тракта.
Затем модель отслеживает оставшийся материал, перемещающийся в толстую кишку. Здесь кишечные микробы разлагают питательные вещества, которые избежали раннего переваривания, продуцируя соединения, такие как короткоцепочечные жирные кислоты. Некоторые из этих соединений организм может всасывать через толстую кишку и использовать как дополнительный источник энергии.
Модель также учитывает образование метана некоторыми микроорганизмами, называемыми метаногенами, которые выделяют метан в рамках своего метаболизма.
По расчетам исследователей, короткоцепочечные жирные кислоты, всосавшиеся из толстой кишки, в среднем обеспечивали около 140 калорий в день. Это составляет примерно 7,4% от общей доступной энергии, получаемой из пищи.
В более широком смысле модель оценила, что около 85% пригодной энергии поступает из верхних отделов желудочно-кишечного тракта, тогда как примерно 15% приходится на нижние отделы, где микробы играют особенно важную роль.
Эти выводы подчеркивают, почему традиционные расчеты калорий не могут полностью описать человеческое пищеварение. Значительная доля энергии, доступной организму, определяется микробными процессами, которые обычные расчеты на этикетках продуктов явно не учитывают.
При сопоставлении предсказаний DAMM с фактическими измерениями из контролируемого диетического исследования модель дала оценки, более близкие к наблюдаемому усвоению калорий, чем расчеты, полученные с помощью традиционного подхода Атватера.
Старый метод в целом недооценивал, сколько калорий усваивали участники. Включив в расчеты микробный метаболизм, DAMM обеспечила более точную оценку энергии, полученной из разных диет.
Как клетчатка изменяет калорийную уравнение
Одна из самых показательных особенностей модели — способность учитывать различия между диетами.
Диета, усиливающая микробиом, доставляла в толстую кишку больше клетчатки и других ферментируемых веществ. Это давало кишечным микробам дополнительные субстраты для разложения и увеличивало их производство короткоцепочечных жирных кислот.
DAMM предсказала это увеличение, что соответствует наблюдавшемуся в контролируемом клиническом испытании. У участников, соблюдавших такую диету, наблюдались более высокие уровни короткоцепочечных жирных кислот в измерениях сыворотки крови и фекалий.
Эти соединения важны, потому что они демонстрируют, насколько тесно связаны микробная активность и человеческий метаболизм. Кишечные бактерии могут трансформировать компоненты пищи, которые иначе прошли бы через пищеварительную систему, в молекулы, которые организм может всосать и использовать как энергию.
Однако повышение образования таких соединений не обязательно означает большее суммарное усвоение калорий.
На самом деле участники, соблюдавшие диету, усиливающую микробиом, усваивали в сумме меньше чистых калорий, чем те, кто придерживался западной диеты, несмотря на то, что диета с большим содержанием клетчатки поддерживала более высокую микробную активность и увеличенное производство короткоцепочечных жирных кислот.
Это кажущееся противоречие становится понятнее при раздельном анализе стадий пищеварения. Хотя микробы могут генерировать дополнительную пригодную энергию, также имеет значение, сколько энергии всасывается напрямую из пищи в верхних отделах пищеварительного тракта.
DAMM помогает исследователям различать эти вклады. Модель оценивает, сколько энергии организм извлекает до того, как пища достигает толстой кишки, сколько энергии микробы производят из оставшегося материала и сколько в конечном итоге всасывается или выводится.
К персонализированным диетам и лучшему питанию
Объединив человеческое пищеварение и микробный метаболизм в единую математическую структуру, исследователи создали инструмент, который может помочь объяснить, почему разные диеты по-разному влияют на энергетический баланс организма.
Подход может в будущем улучшить понимание того, как питание влияет на ожирение, диабет и другие метаболические состояния. Также он открывает возможность разработки планов питания, которые учитывают не только питательные вещества в пище, но и то, как эти вещества взаимодействуют с микробами, живущими в кишечнике каждого человека.
Пока модель предоставляет рамки для исследований, а не готовый метод назначения персонализированных диет. Потребуются дополнительные исследования, чтобы определить, как хорошо она работает в разных популяциях, при различных схемах питания и составе микробиома.
Исследователи также ожидают, что модель станет более сложной по мере того, как ученые будут раскрывать дополнительные детали о том, как микроорганизмы и человеческий организм обмениваются питательными веществами и энергией.
«Модель DAMM — это не просто инструмент для характеристики диеты», — сказал Дэвис. «Это рамочная модель, предназначенная для эволюции. По мере того как мы узнаем больше о том, как диета, метаболизм и микробы взаимодействуют, новые открытия могут быть включены в модель, позволяя ей развиваться вместе с нашими знаниями».
Материалы предоставлены Университетом штата Аризона. Примечание: содержание могло быть отредактировано в соответствии со стилем и длиной.
Taylor L. Davis, Blake Dirks, Elvis A. Carnero, Karen D. Corbin, Steven R. Smith, Andrew Marcus, Rosa Krajmalnik-Brown, Bruce E. Rittmann. Modeling the microbial contribution to human energy balance using the Digestion, Absorption, and Microbial Metabolism (DAMM) model. PLOS One, 2026; 21 (5): e0347668 DOI: 10.1371/journal.pone.0347668
