Microbiologie in hapklare porties
Searching the genome of lactic acid bacteria for compounds relevant for human health
This post is written by guest author Sara Rodrigues Pita
We hebben allemaal een microbioom – een verzameling micro-organismen die op of in ons leven – verspreid over verschillende plaatsen op ons lichaam (bijv. darmen, huid, vagina). In het menselijk microbioom levende bacteriën produceren een reeks metabolieten die kunnen worden gezien als een uitwisseling van boodschappen tussen een menselijke gastheer en zijn microbioom. De verzonden boodschappen kunnen mutualistische en/of antagonistische interacties tussen de bacteriën inhouden. De bron van de boodschappen tussen microbioom en gastheer zijn vaak secundaire metabolieten – verbindingen die door een organisme worden geproduceerd en niet direct essentieel zijn voor de overleving van het organisme, maar die het producerende organisme vaak een concurrentievoordeel geven. Een goed voorbeeld van secundaire metabolieten zijn antibiotica. Antibiotica zijn verbindingen die door bacteriën worden geproduceerd en die de groei van andere bacteriën remmen of zelfs doden. Als zodanig kan de productie van antibiotica worden gezien als een aanpassingsstrategie.
Melkzuurproducerende bacteriën, melkzuurbacteriën (LAB) genoemd, produceren melkzuur door fermentatie – een proces waarbij koolhydraten worden afgebroken. Melkzuurbacteriën staan in de wetenschappelijke gemeenschap in de belangstelling vanwege hun gezondheidsbevorderende eigenschappen, waaronder modulatie van het immuunsysteem, verbetering van de darmgezondheid en eliminatie van ziekteverwekkers. Ondanks de bekende beschermende rol van LAB’s in de menselijke gezondheid, blijft het een mysterie hoe ze deze rol uitvoeren.
LAB’s zijn een integraal onderdeel van het menselijke microbioom en produceren een breed scala aan secundaire metabolieten, waarvan bacteriocines bijzonder interessant zijn. Bacteriocines bezitten antimicrobiële eigenschappen tegen nauw verwante stammen en dergelijke antimicrobiële eigenschappen zijn belangrijk bij het vormen van microbiële gemeenschappen.
Distributie van metabolieten geproduceerd door LABOm het landschap en de verdeling van secundaire metabolieten over LAB te karakteriseren, voerde een recente studie van de Universiteit van Hong Kong voor het eerst een grootschalige analyse uit van het genoom – de volledige set genetisch materiaal – van maar liefst 32.000 LAB. Ze scanden het genetisch materiaal op genen. Genen zijn overgeërfde fragmenten van genetisch materiaal, waarvan vele de instructies bevatten voor de assemblage van moleculen. Bij bacteriën zijn de kerngenen die betrokken zijn bij de productie van secundaire metabolieten vaak bekend en worden ze gevonden in aangrenzende genetische fragmenten, genclusters genoemd. Daarom is het voor de karakterisering van potentiële secundaire metabolieten die door een bacterie worden geproduceerd, nodig om deze genclusters in het genetisch materiaal te lokaliseren. Er werden ongeveer 103.000 genclusters geïdentificeerd die verantwoordelijk zijn voor de productie van secundaire metabolieten, waarvan 56% overeenkomt met bacteriocines. Gezien het feit dat iets meer dan de helft van alle secundaire metabolieten in LAB bacteriocines zijn, lijkt het antagoniseren van andere microbiële leden een overheersende rol van LAB te zijn binnen de gemeenschappen waarin ze leven.
Omdat verschillende genclusters kunnen leiden tot de productie van verbindingen met overlappende functies, gingen de wetenschappers verder met het scoren en groeperen van gelijksoortige genclusters voor secundaire metabolieten in genclusterfamilies. Genclusterfamilies (GCF’s) bevatten de instructies die nodig zijn voor de productie van zeer vergelijkbare secundaire metabolieten met overlappende of sterk vergelijkbare functies.
De 103.000 genclusters voor secundaire metabolieten werden samengevoegd tot 2849 genclusterfamilies (GCF’s). Dit betekent dat LAB potentieel 2849 verbindingen kan produceren met verschillende functies en dus biologische activiteiten.
Toen ze keken hoe deze genclusters verdeeld waren over verschillende bacteriën, vonden ze een aantal interessante patronen. 76% van deze GCF’s werd slechts in één bacteriesoort gevonden. Bovendien werd 41% van de GCF’s alleen gevonden onder subgroepen van een soort, stammen genaamd. Volgens de evolutietheorie zijn genen die door verschillende soorten worden gedeeld, betrokken bij fundamentele biologische processen. Aan de andere kant zijn genen die uniek zijn voor een bepaalde soort of stam waarschijnlijk betrokken bij de aanpassing aan specifieke omgevingen of die de bacteriën succesvoller maken in hun gastheer. Aangezien de meeste clusters van secundaire metabolietgenen exclusief waren voor één soort, suggereert dit dat deze genclusters die bacteriën een voordeel geven ten opzichte van andere soorten.
Bovendien waren GCF’s die soortspecifiek waren ook vaker plaatsgebonden. Dit betekent dat GCF’s waarschijnlijker geproduceerd worden door één bacterie op een specifieke plaats in het menselijk lichaam. Dit weerspiegelt misschien de rol van LAB-afgeleide secundaire metabolieten in de omgevingsadaptatiestrategie van LAB.
LAB-metabolieten in het menselijke microbioom
Vervolgens probeerden de wetenschappers het landschap van secundaire metaboliet-genclusters binnen LAB te beoordelen met behulp van 748 menselijke microbiomen verspreid over 6 lichaamsdelen. Er werden 5687 clusters van secundaire metabolietgenen geïdentificeerd die samen 610 GCF’s vormden. Het orale microbioom had het hoogste aantal GCFs. Ondanks het feit dat het vaginale microbioom minder dan de helft van de GCF’s bevatte dan het orale microbioom, was de overvloed aan vaginale GCF’s het grootst. Dit benadrukt het grotere belang van LAB GCFs voor de dynamiek van de vaginale microbioomgemeenschap in vergelijking met het microbioom van andere plaatsen in ons lichaam.
Gezien de diversiteit en overvloed aan clusters van secundaire metabolietgenen in LAB, werd machinaal leren toegepast om de functies van deze clusters binnen het menselijke microbioom te bepalen. De resultaten toonden aan dat maar liefst 95,2% van deze genclusters antibacterieel was; 1,8% leidde tot celdood, 0,1% was zowel antibacterieel als schimmelwerend; 2% was antibacterieel en leidde tot celdood en ten slotte had 1,1% onbekende functies. Dit ondersteunt het idee dat de meeste van de LAB-afgeleide secundaire metaboliet-genclusters voornamelijk een rol spelen bij het uitsluiten van andere bacteriën. Hierdoor kan LAB andere bacteriën verslaan en tegelijkertijd de bacteriële samenstelling van het microbioom moduleren.
Na de observatie dat het vaginale microbioom bijzonder verrijkt was aan bacteriocines en minder gemeenschapsleden had vergeleken met andere microbiomen, concentreerden de wetenschappers zich op het testen of van LAB afgeleide secundaire metabolieten antibacteriële activiteit hadden.
Ze ontdekten dat bijna alle secundaire metaboliet-genclusters van het bacteriocine-type geassocieerd waren met de afwezigheid van Lactobacillus iners (een bacterie die eerder in verband werd gebracht met vaginale bacteriële infecties) en een vermindering van de algehele microbiële diversiteit in het vaginale microbioom. Bovendien werden twee soorten LAB-afgeleide bacteriocines (genaamd crispacin 467 en 468) van LAB-bacteriocines geproduceerd en getest op antagonistische activiteit tegen een reeks bacteriestammen. Crispacin 467 antagoneerde 3 bacteriesoorten. Als zodanig hebben bacteriocineproducenten een reeks antagonistische eigenschappen die het vaginale microbioom helpen beschermen tegen invasie van pathogenen en zo de bacteriële samenstelling ervan vormgeven.
Al met al, suggereert deze studie dat een deel van de bekende gezondheidsbevorderende effecten van LAB verband houdt met de productie van een diverse reeks secundaire metabolieten met antibacteriële eigenschappen. Bacteriocines zijn bijzonder relevante en overvloedige secundaire metabolieten in LAB. Ze helpen LAB bij het wegconcurreren van ziekteverwekkers en helpen als gevolg daarvan het microbioom vorm te geven. Dit werd geïllustreerd met een vaginaal aanwezige bacteriocine, crispacin 467, die drie andere soorten antagoneerde die gemeenschappelijk zijn voor het vaginale microbioom. LAB biedt een rijke en diverse reeks bacteriocines die moeten worden onderzocht voor toekomstige inspanningen voor de ontwikkeling van geneesmiddelen.
Vertaald door: Liang Hobma
Link to the original post: Zhang, D., Zhang, J., Kalimuthu, S. et al. A systematically biosynthetic investigation of lactic acid bacteria reveals diverse antagonistic bacteriocins that potentially shape the human microbiome. Microbiome 11, 91 (2023). https://doi.org/10.1186/s40168-023-01540-y
Featured image: Created with BioRender
micro-bites.org 