Синергия и кислородная адаптация для развития следующих

Природа (2023)Цитировать эту статью

109 Альтметрика

Подробности о метриках

Микробиота кишечника человека вызвала интерес как фактор окружающей среды, который может способствовать здоровью или заболеванию1. Разработка пробиотиков нового поколения является многообещающей стратегией модуляции микробиоты кишечника и улучшения здоровья человека; однако некоторые ключевые кандидаты в пробиотики следующего поколения являются строго анаэробными2 и для оптимального роста могут потребоваться синергизм с другими бактериями. Faecalibacterium prausnitzii — широко распространенная и многочисленная кишечная бактерия человека, связанная со здоровьем человека, но из нее еще не разработаны пробиотические составы2. Здесь мы описываем совместную изоляцию F. prausnitzii и Desulfovibrio piger, сульфатредуцирующей бактерии, а также их перекрестное питание для роста и производства бутирата. Чтобы создать пробиотический препарат нового поколения, мы адаптировали F. prausnitzii к воздействию кислорода, и в исследованиях, подтверждающих концепцию, мы продемонстрировали, что симбиотический продукт переносится мышами и людьми (идентификатор ClinicalTrials.gov: NCT03728868) и обнаруживается в кишечнике человека у части участников исследования. В нашем исследовании описана технология производства пробиотиков нового поколения, основанная на адаптации строго анаэробных бактерий к воздействию кислорода без снижения потенциальных полезных свойств. Наша технология может быть использована для разработки других строго анаэробных штаммов в качестве пробиотиков нового поколения.

Микробиота кишечника взрослого человека состоит как минимум из такого же количества бактериальных клеток, как и общее количество соматических и половых клеток3, а их коллективные геномы (микробиом) содержат более чем в 500 раз больше генов, чем наш человеческий геном4. Сравнительная метагеномика показала, что по сравнению с микробиомом пациентов с диабетом 2 типа5,6,7, гиперлипидемией8 и воспалительным заболеванием кишечника9,10 здоровый микробиом часто связан с повышенным микробным разнообразием и повышенным количеством бактерий, продуцирующих бутират. такие как Faecalibacterium prausnitzii. В частности, F. prausnitzii является ключевым видом, численность которого варьируется в зависимости от возраста и образа жизни, а микробиота кишечника людей, живущих в западном мире, относительно обеднена11.

Микроорганизмы кишечника человека не действуют изолированно, а образуют сложные экологические взаимодействия, которые важны для гомеостаза кишечника. Одним из ключевых свойств микробиоты кишечника является ферментация углеводов до короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК), включая бутират, что связано с рядом преимуществ для хозяина12. Ферментация является основным процессом генерации энергии, используемым кишечными микроорганизмами, и удаление побочных продуктов ферментации, поглощающих электроны, таких как лактат и водород, необходимо для поддержания ферментативных процессов13. Соответственно, поглотители водорода, такие как метаногены и сульфатвосстанавливающие бактерии, важны для установления метаболических сетей кишечника14.

Здесь мы сообщаем об выделении нового штамма F. prausnitzii в совместной культуре с новым штаммом сульфатредуктора Desulfovibrio piger. Мы описываем разработку технологии производства F. prausnitzii как пробиотика нового поколения и оцениваем его безопасность для потребления человеком.

Чтобы сохранить взаимодействие микроорганизм-микроорганизм и изолировать бактерии, способные служить стоком электронов и удалять лактат, мы высевали фекалии здорового человека непосредственно на чашки с агаром среды Постгейта (PGM) в анаэробных условиях (Методы). В этих условиях мы выделили штамм F. prausnitzii (DSM32186), который рос в МПГ в совместной культуре со штаммом D. piger (DSM 32187) (рис. 1а, б). D. piger являются облигатными анаэробными, неферментирующими грамотрицательными бациллами15 и преобладающими восстановителями сульфатов в кишечнике человека16, не встречаются изолированно вне кишечника и, таким образом, считаются специфичными для кишечника комменсалами17.

а — Совместное культивирование F. prausnitzii DSM 32186 и D. piger DSM 32187 на чашках с PGM без добавления глюкозы или ацетата. б — Окрашивание по Граму колоний, выделенных из F. prausnitzii DSM 32186 и D. piger DSM 32187. Стрелками указаны F. prausnitzii (длинные веретенообразные палочки) (1) и D. piger (короткие палочки) (2). Масштабная линейка, 10 мкм. в: Дендрограмма, иллюстрирующая связь между D. piger DSM 32187 и родственными геномами. г: Дендрограмма, иллюстрирующая связь между F. prausnitzii DSM 32186 и родственными геномами. д, количество колониеобразующих единиц F. prausnitzii DSM 32186 в монокультуре и совместном культивировании с D. piger DSM 32187 в анаэробных условиях в мПГМ (МПГ, содержащем 25 мМ глюкозы) в течение 24 часов. Р = 0,0003. f, Профили метаболитов F. prausnitzii DSM 32186 и D. piger DSM 32187, культивированных в виде монокультур или совместного культивирования в анаэробных условиях в среде mPGM в течение 24 часов. Глюкоза: P = 0,0000031 (F. prausnitzii + D. piger против D. piger), P = 0,0000038 (F. prausnitzii + D. piger против F. prausnitzii); лактат: P = 0,0000001 (F. prausnitzii + D. piger по сравнению с D. piger), P = 0,0000005 (F. prausnitzii по сравнению с D. piger), P = 0,00014 (F. prausnitzii + D. piger по сравнению с F. prausnitzii); ацетат: P = 0,0000004 (F. prausnitzii + D. piger по сравнению с D. piger), P = 0,0000003 (F. prausnitzii по сравнению с D. piger); бутират: P = 0,000001 (F. prausnitzii + D. piger против D. piger), P = 0,0000031 (F. prausnitzii + D. piger против F. prausnitzii). «Изменение мМ» на оси y указывает разницу в концентрации от инокулированной среды на исходном уровне. ж, Схема предлагаемого перекрестного кормления F. prausnitzii и D. piger при совместном культивировании в mPGM. n = 3 независимых эксперимента, ***P <0,001, определенное с помощью двустороннего t-критерия (e) или одностороннего дисперсионного анализа (f). Данные представляют собой среднее значение ± стандартная ошибка.