Assessment of bacterial nanocellulose on Caenorhabditis elegans

Abstract

La vida accelerada de la societat actual ha transformat les nostres dietes, substituint verdures i fruites per un consum excessiu de carn i aliments processats. Al mateix temps, hem reduït l'activitat física, la qual cosa ha portat a un augment en la taxa de sobrealimentació i obesitat als països desenvolupats. A més, les persones amb obesitat també tenen un risc major de patir diabetis, càncer i malalties cardíaques i pulmonars. Les indústries es veuen desafiades a elaborar productes més saludables per demanda del públic i els governs. Així doncs l'OMS recomana augmentar la quantitat de fibra a la nostra dieta per reduir l'impacte de dietes altament calòriques. Amb aquest objectiu d'incrementar el contingut de fibra, s'està considerant enriquir els productes amb fibres dietètiques. Aquestes fibres són polisacàrids que no són digerits ni absorbits pel cos, però tenen un impacte positiu en ell. La cel·lulosa és el polisacàrid més abundant a la terra i pot ser utilitzada com a additiu alimentari. Tradicionalment, s'ha extret de productes vegetals, però ara s'estan investigant noves fonts, com ara bacteris o algues. La nanocel·lulosa bacteriana (BNC) és un exopolisacàrid produït principalment per bacteris gramnegatius. Malgrat ser químicament idèntica a la cel·lulosa produïda per les plantes, la nanocel·lulosa bacteriana presenta propietats úniques de nanoestructura, major capacitat de retenció d'aigua i cristal·linitat. Aquestes característiques han impulsat l'aplicació de la nanocel·lulosa bacteriana en molts camps, com la medicina, l'alimentació, els dispositius electrònics i molts altres. La nanocel·lulosa bacteriana ha estat consumida pels éssers humans durant molt de temps, la qual cosa confirma la seva bioseguretat. A més, se li han atribuït molts efectes beneficiosos, com l'augment de la motilitat intestinal, la reducció de lípids i la regulació de la microbiota intestinal en ratolins. De manera general, la BNC s'incorpora als productes alimentaris en forma de fibres, nanocristalls o pols. La seva escala nanomètrica podria canviar la interacció amb l'organisme en termes de seguretat, però també en termes dels efectes beneficiosos que podria induir. Inicialment, la BNC es va avaluar in vitro en reactors que recreaven la digestió gàstrica i l'entorn intestinal. En aquesta etapa es va detectar la interacció amb molècules específiques en la llum intestinal. En models de rosegadors, la BNC indueix la motilitat intestinal, redueix lípids i modula la microbiota intestinal. S'ha utilitzat amb èxit per bloquejar el dany intestinal causat per dietes altes en calories. No obstant això, la indústria l'utilitza principalment com a substitut de greix, espessidor i reforç d'hidrogels, perquè la interacció amb l'organisme no s'entén completament. En aquesta tesi, avaluem les fibres de BNC (BNCf) a l'organisme model Caenorhabditis elegans per obtenir informació sobre la interacció biològica d'aquesta fibra a nivell d'organisme, teixit i cèl·lules. L'intestí d'aquest nematode s'assembla al de l'esser humà en estructura i funció. A més, aquest model conserva vies metabòliques rellevants que són afectades per les fibres dietètiques, com el metabolisme lipídic. També ampliem l'ús de la plataforma de C. elegans per avaluar nous nanomaterials.

La vida acelerada de la sociedad moderna ha transformado nuestras dietas, cambiando verduras y frutas por un consumo excesivo de carne y alimentos procesados. También hemos reducido la actividad física, lo que ha llevado a un aumento en la tasa de sobrealimentación y obesidad en los países desarrollados. Las personas con obesidad también tienen un riesgo mayor de sufrir diabetes, cáncer y enfermedades cardíacas y pulmonares. Las industrias se ven desafiadas a elaborar productos más saludables por la demanda del público y los gobiernos. La OMS recomienda aumentar la cantidad de fibra en nuestra dieta, para reducir el impacto de dietas altamente calóricas. Para ello, se está considerando enriquecer los productos con fibras dietéticas. Estas fibras son polisacáridos que benefician al organismo sin ser digeridas ni absorbidas por el organismo. La celulosa, es el polisacárido más abundante de la tierra y puede ser utilizado como aditivo alimenticio. Tradicionalmente, se han extraído de productos vegetales, pero ahora se están investigando nuevas fuentes, como bacterias o algas. La nanocelulosa bacteriana (BNC) es un exopolisacárido producido principalmente por bacterias gramnegativas. A pesar de ser químicamente idéntica a la celulosa vegetal, la BNC presenta propiedades únicas. Tiene una nanoestructura diferente, mayor porcentaje de cristalinidad y mayor capacidad de retención de agua que la celulosa vegetal. Estas características han impulsado la aplicación de la BNC en muchos campos, como la medicina, la alimentación, los dispositivos eléctricos y muchos otros. Además, la BNC ha sido consumida por los seres humanos durante mucho tiempo, lo que confirma su bioseguridad. Además, se le han atribuido muchos beneficios, como el aumento de la motilidad intestinal, reducción de lípidos y la regulación del microbioma intestinal en ratones. Por lo general, la BNC se incorpora a los productos alimenticios en forma de fibras, nanocristales o polvo. Su escala nanométrica podría cambiar la interacción con el organismo en términos de seguridad, pero también en términos de los efectos beneficiosos que podría inducir. La BNC se ha evaluado in vitro en reactores que recrean la digestión gástrica y el entorno intestinal. Estos experimentos detectaron la interacción con moléculas específicas en el lumen intestinal. En modelos de roedores, se ha visto que la BNC induce la motilidad intestinal, reduce lípidos y modula el microbiota intestinal. Se ha utilizado con éxito para bloquear el daño intestinal causado por dietas altas en calorías en estos modelos. A pesar de estos efectos beneficiosos, la industria la utiliza principalmente como sustituto de grasa, espesante y refuerzo de hidrogeles porque la interacción con el organismo no se comprende completamente. En esta tesis, evaluamos las fibras de BNC (BNCf) en el modelo Caenorhabditis elegans para obtener información sobre la interacción biológica de esta fibra a nivel de organismo, tejido y células. El intestino de este nematodo se asemeja al de los humanos en estructura y función. Además, este modelo conserva vías metabólicas relevantes que son afectadas por las fibras dietéticas, como el metabolismo lipídico. También extendemos el uso de la plataforma de C. elegans para evaluar nuevos nanomateriales

The fast-paced life of our modern age has reshaped our diets, shifting them from vegetables and fruits to an overconsumption of meat and processed food. At the same time, we reduced physical activity, leading to an increased rate of overnutrition and obesity in developed countries. People who have obesity also have a higher risk of suffering from diabetes, cardiac and pulmonary disease, and developing cancer. Industries are challenged to produce healthier products due to the requests by the public and governments. The WHO recommends raising the amount of fiber in our diet. Therefore, many sources of dietary fibers are being investigated. Dietary fibers are polysaccharides that are not digested nor absorbed by the organism but positively impact it. Cellulose is the most abundant polysaccharide in the world and could be used as an additive in the food industry. Traditionally, cellulose has been extracted from vegetal products, but new sources, such as bacteria or algae, are now being investigated. Bacterial nanocellulose is an exopolysaccharide mainly produced by gram-negative bacteria. Despite being chemically identical to cellulose produced by plants, bacterial nanocellulose presents unique nanostructure, water-holding capacity, and crystallinity properties. These characteristics have propelled the application of bacterial nanocellulose in many fields, such as medicine, food, energy devices, and many others. Bacterial nanocellulose has been consumed by humans for an extended period, confirming its biosafety. In addition, many beneficial effects have been related to this polysaccharide, for example, increasing intestinal motility, lipid-lowering effect, and regulation of mice microbiome. Usually, bacterial nanocellulose is incorporated into food products in fibers, nanocrystals, or powder. Their nanoscale could change the interaction with the organism in terms of safety but also in terms of the beneficial effects that it could induce. Therefore, the nanoscale is the main problem in reaching the market. Bacterial nanocellulose was initially evaluated in vitro in reactors that recreate gastric digestion and the intestinal environment. Interaction with specific molecules in the intestinal lumen was detected at this step. In rodent models, bacterial nanocellulose induces intestinal motility, produces a lipid-lowering effect, and modulates the intestinal gut microbiota. It has been successfully used to block the intestinal damage produced by high-caloric diets. However, the industry uses bacterial nanocellulose mainly as a fat replacement, thickener, and reinforcement of current hydrogels in the food. Their beneficial impact on the diet is not entirely exploited, partly because the interaction with the organism is not completely understood. In this thesis, we evaluated bacterial nanocellulose fibers (BNCf) in the model organism Caenorhabditis elegans to give insights into the biological interaction of this fiber at the organism, tissue, and cellular level. The intestine of this nematode resembles the human in structure and function. In addition, relevant metabolic pathways that are affected by dietary fibers are conserved in this model, such as lipid metabolic routes. We also extended the use of the C. elegans platform to evaluate newly designed nanomaterials for nanomedicine.