Hvordan en gavnlig tarmmikrobe tilpasser sig modermælk

Modermælk giver vigtige næringsstoffer ikke kun til spædbørn, men også til gavnlige mikrober, der bebor mave-tarmkanalen. En undersøgelse offentliggjort 6. april i Cellekemisk biologi viser, at en bakterieart kaldet Bifidobacterium longum har med succes tilpasset sig den unikke niche i spædbarnets tarm ved at producere et enzym kaldet LnbX, hvilket gør det muligt for denne mikrobe at vokse på et sukker, der kun er rigeligt i modermælk.

"I betragtning af de sundhedsfremmende virkninger af bifidobakterier, vores resultater afslører en mulig evolutionær rute for den modermælksdrevne symbiose mellem tarmmikrober og mennesker, " siger co-senior studieforfatter Takane Katayama fra Kyoto University.

Tarmmikrober i det tidlige liv menes at have langvarige virkninger på menneskers sundhed, og undersøgelser har vist, at kosten i høj grad påvirker sammensætningen af ​​denne befolkning. For eksempel, human mælkesukker er kendt for selektivt at fremme væksten af ​​gavnlige tarmmikrober såsom bifidobakterier, som forhindrer diarré og patogen infektion hos spædbørn. En vigtig bestanddel af modermælk er et sukker kaldet lacto-N-tetraose, som stort set er fraværende i andre pattedyrs mælk. Bifidobakterier producerer enzymer, der nedbryder dette sukker, tyder stærkt på, at et symbiotisk forhold for nylig har udviklet sig mellem disse mikroorganismer og mennesker.

Mens vi undersøgte, hvordan dette symbiotiske forhold udviklede sig, Katayama og co-senior studieforfatter Shinya Fushinobu fra University of Tokyo karakteriserede tidligere LnbB og isolerede LnbX-enzymer, der nedbryder lacto-N-tetraose i Bifidobacterium bifidum og Bifidobacterium longum , henholdsvis. I den nye undersøgelse, forskerne satte sig for at bygge videre på disse resultater ved at bestemme røntgenkrystalstrukturen af ​​det katalytiske domæne af LnbX. Krystalstrukturen, i kombination med mutations- og farmakologiske eksperimenter, afslørede, at LnbX har en særskilt struktur og katalytisk mekanisme fra LnbB og derfor tilhører en ny familie af glycosidhydrolase-enzymer kaldet GH136.

"Selv om B. longum og B. bifidum tilhører samme slægt og bor i samme miljø, de bruger forskellige enzymer til at nedbryde lacto-N-tetraose, drage fordel af de forskellige strukturer af dette unikke humane mælkesukker, " Fushinobu siger. "Resultaterne tyder på, at forskellige stammer og arter af gavnlige bifidobakterier uafhængigt har udviklet forskellige molekylære værktøjer til at fordøje det samme humane mælkesukker, forklarer deres evne til at sameksistere og trives i mave-tarmkanalen hos spædbørn, der får modermælk."

Yderligere eksperimenter viste, at lnbX-genet er kritisk for evnen til B. longum at vokse specifikt på lacto-N-tetraose. I øvrigt, en analyse af fækalt DNA afslørede det B. longum og lnbX-genet var mere udbredt i mave-tarmkanalen hos ti spædbørn, der udelukkende indtog modermælk, sammenlignet med seks spædbørn, der fik en blanding af modermælkserstatning og modermælk. "Taget sammen, disse fund tyder på, at lnbX er vigtig for B. longum at forblive i tarmens økosystem hos spædbørn, der får modermælk, og human mælkesukker har været det vigtigste selektive pres for udviklingen af ​​lnbX, " siger Katayama.

I fremtidige undersøgelser, forskerne vil undersøge, om andre bifidobakterielle arter producerer forskellige enzymer til at fordøje modermælkssukker. De vil også lede efter bifidobakterielle metabolitter, der fremmer spædbørns sundhed. Til sidst, denne forskning kunne forbedre modermælkserstatning gennem berigelse enten med gavnlige bakterielle forbindelser, eller med mikrobielle enzymer, der er blevet manipuleret til at udføre den omvendte reaktion og syntetisere humane mælkesukker til en lav pris og i stor skala.

"Selvom amning i det første leveår anbefales i de fleste tilfælde, nogle mødre er nødt til at stole på modermælkserstatning, fordi de har virusinfektioner eller ikke producerer mælk med vigtige næringsstoffer såsom zink, " siger Katayama. "Derfor, Udviklingen af ​​nye strategier til at berige modermælkserstatning med sundhedsfremmende ingredienser vil være særlig kritisk i disse sjældne tilfælde, hvor modermælksfodring ikke er mulig."