Как бифидобактерии B. longum адаптируются к грудному молоку?

ПОЛЕЗНЫЕ КИШЕЧНЫЕ БИФИДОБАКТЕРИИ ЛОНГУМ АДАПТИРОВАНЫ К ГРУДНОМУ МОЛОКУ И РАСЩЕПЛЯЮТ ЕГО САХАРА

На изображении справа показана молекулярная структура лакто-н-биосидазы LnbX, фермента симбиотических бактерий (B. longum) в кишечнике младенцев для расщепления Сахаров в грудном молоке.

 Молекулярное понимание эволюции симбиоза между грудными младенцами и членом микробиома кишечника человека Bifidobacterium longum

Грудное молоко обеспечивает жизненно важными питательными веществами не только младенцев, но и полезные микробы, населяющие желудочно-кишечный тракт. Исследование, опубликованное 6 апреля 2017 г. в Cell Chemical Biology, показывает, что бактериальный вид под названием Bifidobacterium longum успешно адаптировался к уникальной нише кишечника ребенка, производя фермент под названием Лакто-Н-биосидаза  (LnbX или Lacto-N-biosidase), который позволяет этому микробу расти на сахаре, который в изобилии только в человеческом молоке.

Прим. ред.1: Бифидобактерии лонгум (в частности, штамм B. longum B379M) используются при производстве пробиотического препарата "Концентрат бифидобактерий жидкий", который рекомендован к применению как пробиотик в комплексной терапии для грудничков с первых часов жизни и способствует интенсивнорму выздоровлению (информация к особому вниманию родителей, чьи дети находятся в неонатальных центрах или на лечении в инфекционных больницах, а также лишены грудного вскармливания).

Прим. ред.2: Уже в первую неделю жизни новорожденного, питающегося молоком матери, первичную (преимущественно аэробную) микрофлору ЖКТ стремительно сменяют анаэробные бифидобактерии. Причины данного явления стали понятны, когда был секвенирован геном Bifidobacterium longum и обнаружен участок, содержащий гены гликозидаз — ферментов, расщепляющих олигосахариды женского грудного молока до моносахаридов. Очевидно, без этих бифидобактерий в желудочно-кишечном тракте ребенок не сможет эффективно усваивать поступающую пищу, что отразится на его развитии.

"Учитывая благоприятное для здоровья воздействие бифидобактерий, наши результаты показывают возможный эволюционный путь симбиоза, обусловленного грудным молоком, между микробами кишечника и людьми", - говорит старший соавтор исследования Такане Катаяма (Takane Katayama) из Киотского университета.

Считается, что микробы кишечника в раннем возрасте оказывают длительное воздействие на здоровье человека, и исследования показали, что диета сильно влияет на состав этой популяции. Например, известно, что сахар молока человека избирательно способствует росту полезных микробов кишечника, таких как бифидобактерии, которые предотвращают диарею и патогенную инфекцию у младенцев. Одним из основных компонентов человеческого молока является сахар (олигосахарид) под названием Лакто-Н-тетраоза (Lacto-N-tetraose), который практически отсутствует в молоке других млекопитающих. Бифидобактерии производят ферменты, которые разрушают этот сахар, убедительно показывая, что симбиотические отношения давно развились между этими микроорганизмами и людьми.

При расследовании, как это симбиотические отношения развивались, Катаяма и его coавтор в исследовании, Шинья Фушинобу (Shinya Fushinobu) из Токийского университета, ранее охарактеризовали ферменты LnbB и LnbX как ферменты бифидобактерий Bifidobacterium bifidum и Bifidobacterium longum, соответственно, которые расщепляют олигосахарид Лакто-Н-тетраозу.

В новом исследовании ученые определили рентгеновскую структуру каталитической области фермента LnbX. Благодаря мутационным и фармакологическим экспериментам выяснилось, что кристаллическая структура фермента LnbX имеет отличную от LnbB структуру и каталитический механизм, и поэтому LnbX принадлежит к новому семейству ферментов гидролазы гликозида, под названием GH136.

Прим. ред.3: Гидролазы гликозидов или гликозидазы - подкласс включает около ста ферментов с разной специфичностью действия, осуществяющих гидролиз олиго- и полисахаридов; некоторые ферменты этого типа способны осуществлять трансферазные реакции - переносить гликозидные остатки на олиго- и полисахариды, наращивать полисахаридные цепочки. Представители гликозидаз были одними из первых ферментов, обратимость действия которых in vitro была экспериментально доказана.

"Хотя бифидобактерии B. longum и B. bifidum принадлежат к одному и тому же роду и обитают в одной среде, они используют различные ферменты, чтобы расщеплять олигосахарид Лакто-Н-тетраозу, воспользовавшись разнообразными структурами этого уникального сахара в грудном молоке," говорит Шинья Фушинобу. "Полученные данные свидетельствуют о том, что различные штаммы и виды полезных бифидобактерий независимо развили различные молекулярные инструменты для переваривания одного и того же сахара в молоке человека, что объясняет их способность сосуществовать и процветать в желудочно-кишечном тракте грудных детей, вскармливаемых молоком."

Дополнительные эксперименты показали, что соответствующий ген lnbX (ответственный за синтез фермента LnbX) критически важен для способности B. longum расти именно на Лакто-Н-тетраозе. Кроме того, анализ фекальной ДНК показал, что B. longum и ген lnbX были более распространены в желудочно-кишечном тракте десяти младенцев, которые потребляли исключительно грудное молоко, по сравнению с шестью младенцами, которые кормили молочной смесью с формулой грудного молока.  "Взятые вместе, эти результаты показывают, что lnbX важен для B. longum, чтобы сохраняться в экосистеме кишечника грудных младенцев, вскармливаемых молоком, а сахар человеческого молока был основой избирательного давления для эволюции lnbX", говорит Такане Катаяма.

В будущих исследованиях ученые планируют установить, производят ли другие виды бифидобактерий различные ферменты для переваривания сахара грудного молока. Они также будут искать бифидобактериальные метаболиты, которые способствуют здоровью детей.

В конце концов, это исследование могло бы улучшить молочную смесь путем обогащения либо полезными бактериальными соединениями, либо микробными ферментами, которыми манипулировали для осуществления обратной реакции и синтеза сахаров грудного молока при низкой стоимости и в больших масштабах.

"Хотя грудное вскармливание в течение первого года жизни рекомендуется в большинстве случаев, некоторые матери вынуждены полагаться на формульное молоко, потому что они имеют вирусные инфекции или не производят молоко с ключевыми питательными веществами, такими как цинк", - говорит Катаяма. "Поэтому разработка новых стратегий обогащения формульного молока полезными для здоровья ингредиентами будет иметь особенно важное значение в тех редких случаях, когда кормление грудным молоком невозможно."

Источник: Takane Katayama, Shinya Fushinobu et al. Molecular Insight into Evolution of Symbiosis between Breast-Fed Infants and a Member of the Human Gut Microbiome Bifidobacterium longum. Cell Chemical Biology, 2017

Дополнительно см.:

• Почему бифидобактерии важны для младенцев?
• Пробиотики и грудные дети
• Роль бифидобактерий в здоровье младенцев
• Здоровый кишечный микробиом формируется в раннем детстве
• Формирование кишечной микробиоты ребенка и факторы, влияющие на этот процесс
• Роль грудного молока в развитии здоровой кишечной микрофлоры у младенцев
• Пробиотики помогут против детского жирения
• Пробиотики против детского ожирения