차세대 개발을 위한 시너지 및 산소 적응

네이처(2023)이 기사 인용

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인간 장내 미생물군은 건강이나 질병에 기여할 수 있는 환경 요인으로 관심을 끌고 있습니다1. 차세대 프로바이오틱스의 개발은 장내 미생물을 조절하고 인간의 건강을 개선하기 위한 유망한 전략입니다. 그러나 몇 가지 주요 차세대 프로바이오틱스 후보는 엄격한 혐기성2이며 최적의 성장을 위해 다른 박테리아와의 시너지 효과가 필요할 수 있습니다. Faecalibacterium prausnitzii는 인간의 건강과 관련하여 널리 퍼져 있고 풍부한 인간 장내 세균이지만 아직 프로바이오틱 제제로 개발되지 않았습니다2. 여기에서는 황산염 감소 박테리아인 F. prausnitzii와 Desulfovibrio piger의 공동 분리와 성장 및 부티레이트 생산을 위한 교차 공급에 대해 설명합니다. 차세대 프로바이오틱 제제를 생산하기 위해 우리는 산소 노출을 견딜 수 있도록 F. prausnitzii를 개조했으며 개념 증명 연구에서 공생 제품이 생쥐와 인간에 의해 견딜 수 있음을 입증했습니다(ClinicalTrials.gov 식별자: NCT03728868). 연구 참가자의 하위 집합에서 인간 장에서 검출됩니다. 우리의 연구는 잠재적인 유익한 특성을 감소시키지 않고 산소 노출을 견딜 수 있는 엄격한 혐기성 박테리아의 적응을 기반으로 하는 차세대 프로바이오틱스 생산 기술을 설명합니다. 우리의 기술은 차세대 프로바이오틱스로서 다른 엄격한 혐기성 균주의 개발에 사용될 수 있습니다.

성인의 장내 미생물군은 적어도 체세포와 생식세포의 총 수만큼 많은 박테리아 세포로 구성되어 있으며3 이들의 집단 게놈(미생물군집)은 인간 게놈보다 500배 이상 더 많은 유전자를 포함하고 있습니다4. 비교 메타유전체학에 따르면 제2형 당뇨병5,6,7, 고지혈증8 및 염증성 장 질환9,10 환자의 미생물군집과 비교하여 건강한 미생물군집은 종종 미생물 다양성 증가 및 부티레이트 생성 박테리아의 풍부함과 관련이 있는 것으로 나타났습니다. Faecalibacterium prausnitzii와 같은. 특히, F. prausnitzii는 연령과 생활 방식에 따라 그 양이 달라지는 핵심 종이며, 서구 세계에 사는 사람들의 장내 미생물군에서는 상대적으로 고갈되어 있습니다11.

인간 장내 미생물은 단독으로 작용하지 않고 장내 항상성에 중요한 복잡한 생태학적 상호작용을 형성합니다. 장내 미생물총의 주요 특성 중 하나는 탄수화물을 부티레이트를 포함한 단쇄지방산(SCFA)으로 발효시키는 것이며, 이는 여러 숙주 이점과 관련이 있습니다12. 발효는 장내 미생물이 활용하는 주요 에너지 생성 과정이며, 발효 과정을 유지하려면 젖산 및 수소와 같은 발효 전자 싱크 부산물을 제거하는 것이 필수적입니다13. 따라서 메탄생성균 및 황산염 환원 박테리아와 같은 수소 제거제는 장 대사 네트워크를 구축하는 데 중요합니다.

여기 우리는 황산염 환원제 Desulfovibrio piger의 새로운 균주와 공동 배양에서 F. prausnitzii의 새로운 균주의 분리를 보고합니다. 우리는 차세대 프로바이오틱스로서 F. prausnitzii 생산 기술 개발을 설명하고 인간이 섭취할 때의 안전성을 평가합니다.

미생물-미생물 상호 작용을 보존하고 전자 싱크 역할을 하고 젖산을 제거할 수 있는 박테리아를 분리하기 위해 우리는 혐기성 조건에서 Postgate 배지(PGM)의 한천 플레이트에 건강한 개체의 대변 물질을 직접 도금했습니다(방법). 이러한 조건에서 우리는 D. piger (DSM 32187) 균주와 공동 배양으로 PGM에서 성장한 F. prausnitzii (DSM32186) 균주를 분리했습니다 (그림 1a, b). D. piger는 절대 혐기성, 비발효성 그람 음성 간균15 및 인간 장에서 널리 퍼져 있는 황산염 감소제16이며 장 외부에서 단독으로 발생하지 않으므로 장 특이적 공생균으로 간주됩니다17.

a, 포도당 또는 아세테이트 보충 없이 PGM 플레이트에서 F. prausnitzii DSM 32186 및 D. piger DSM 32187의 공동 배양. b, F. prausnitzii DSM 32186 및 D. piger DSM 32187의 분리로 인한 콜로니의 그람 염색. 화살표는 F. prausnitzii(긴 방추형 막대)(1) 및 D. piger(짧은 막대)(2)를 나타냅니다. 스케일 바, 10μm. c, D. piger DSM 32187과 관련 게놈 사이의 관계를 보여주는 덴드로그램. d, F. prausnitzii DSM 32186과 관련 게놈 사이의 관계를 보여주는 덴드로그램. e, 24시간 동안 mPGM(25 mM의 포도당을 함유하는 PGM)의 혐기성 조건 하에서 단일 배양 및 D. piger DSM 32187과의 공동 배양에서 F. prausnitzii DSM 32186의 콜로니 형성 단위 수. P = 0.0003. f, mPGM 배지에서 24시간 동안 혐기성 조건 하에서 단일배양 또는 공동배양으로 배양된 F. prausnitzii DSM 32186 및 D. piger DSM 32187의 대사산물 프로파일. 포도당: P = 0.0000031(F. prausnitzii + D. piger 대 D. piger), P = 0.0000038(F. prausnitzii + D. piger 대 F. prausnitzii); 젖산: P = 0.0000001(F. prausnitzii + D. piger 대 D. piger), P = 0.0000005(F. prausnitzii 대 D. piger), P = 0.00014(F. prausnitzii + D. piger 대 F. prausnitzii); 아세테이트: P = 0.0000004(F. prausnitzii + D. piger 대 D. piger), P = 0.0000003(F. prausnitzii 대 D. piger); 부티레이트: P = 0.000001(F. prausnitzii + D. piger 대 D. piger), P = 0.0000031(F. prausnitzii + D. piger 대 F. prausnitzii). y축의 'mM 변화'는 기준선에서 접종된 배지와의 농도 차이를 나타냅니다. g, mPGM에서 공동 배양으로 F. prausnitzii와 D. piger 사이에 제안된 교차 공급에 대한 도식. n = 3개의 독립적인 실험, ***P < 0.001 양측 t-검정(e) 또는 일원 분산 분석(f)에 의해 결정됨. 데이터는 평균 ± sem입니다.