ОМИКИ бифидобактерий

ОМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИФИДОБАКТЕРИЙ: ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОНИМАНИЕ ИХ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, СПОСОБСТВУЮЩЕЙ УКРЕПЛЕНИЮ ЗДОРОВЬЯ

Прим. ред.: Отрасли науки, неофициально известные как омики, представляют собой различные дисциплины биологии, названия которых заканчиваются суффиксом «-омика», такие как геномика, протеомика, метаболомика, метагеномика, транскриптомика. Омики направлены на коллективную характеристику и количественную оценку пулов биологических молекул, которые отражаются на структуре, функциях и динамике организма или организмов.

К представителям рода Bifidobacterium относятся кишечные комменсалы, которые особенно распространены среди микробных сообществ, обитающих в кишечнике здоровых младенцев, находящихся на грудном вскармливании, где их присутствие связано со многими полезными эффектами для хозяина. Было показано, что секвенирование ДНК нового поколения, а также методологии сравнительного и функционального генома особенно полезны при изучении разнообразия этого рода. Эти комбинированные подходы позволили идентифицировать генетические особенности, связанные с внедрением бифидобактерий в кишечнике, включая взаимодействие хозяин-микроб, а также взаимодействие микроб-микроб. Среди них белковые структуры, которые выступают из поверхности бактерий, т.е. пили или фимбрии, а также экзополисахаридные поверхностные слои или капсулы клеток, представляют собой важные особенности, которые способствуют их колонизации и персистенции в кишечнике. Поскольку бифидобактерии являются колонизаторами толстого кишечника, они должны быть способны справляться с различными источниками осмотического, окислительного, желчного и кислотного стресса во время прохождения через желудочный барьер и тонкий кишечник. Таким образом, геномы бифидобактерий кодируют различные механизмы выживания, такие как молекулярные шапероны и эффлюкс насосы, для преодоления таких проблем. Бифидобактерии представляют собой часть анаэробного кишечного сообщества и питаются неперевариваемыми углеводами посредством специализированного ферментативного метаболического пути, который, в свою очередь, производит ростовые субстраты для других членов кишечного сообщества. И наоборот, бифидобактерии также могут зависеть от других (бифидо)бактерий в плане доступа к гликанам, полученным из хозяина и пищи, и эти сложные кооперативные взаимодействия, основанные на совместном использовании ресурсов и стратегиях перекрестного питания, представляют собой мощные движущие силы, которые формируют состав микробиоты кишечника.

Введение

Различные предполагаемые связи между составом микробиоты кишечника и здоровьем человека привели к включению определенных кишечных комменсалов (в частности, лактобацилл или бифидобактерий) в качестве функциональных ингредиентов в различные пищевые продукты, целью которых является положительное влияние на состояние здоровья потребителя таких пищевых продуктов. Бифидобактерии заняли особое место в этом отношении, поскольку их присутствие коррелирует с различными видами деятельности по укреплению здоровья (или, наоборот, их отсутствие связано с проблемами со здоровьем, такими как ожирение и недостаточное питание), в частности, в контексте микробиоты кишечника младенцев [1, 2]. Они составляют часть кишечного сообщества толстой кишки и вносят значительный вклад в метаболизм хозяина за счет участия в сахаролитической ферментации гликанов, которые присутствуют, в частности, в проксимальном отделе толстой кишки [3]. Их положительный эффект в кишечнике также проявляется в выработке многих метаболитов, таких как витамины, антиоксиданты, полифенолы, конъюгированные линолевые кислоты и короткоцепочечные жирные кислоты (SCFAs), которые оказывают положительное влияние на эпителиальные клетки-хозяева, а также на компоненты кишечного сообщества [3,4].

Кроме того, считается, что их колонизация поддерживает надлежащее развитие иммунитета, а также помогает предотвратить или ограничить распространение некоторых заболеваний кишечника (например, некротизирующего энтероколита у новорожденных и острой диареи) путем конкурентного исключения патогенов [5,6].

Бифидобактерии - это грамположительные, анаэробные, сахаролитические Y-образные бактерии, которые относятся к типу Actinobacteria и роду Bifidobacterium. Представители этого рода были выделены из широкого спектра животных-хозяев и источников окружающей среды, которые включают млекопитающих, птиц и насекомых, но они также были обнаружены в кисломолочных продуктах и сточных водах [7,8]. Ассоциированные с человеком бифидобактерии являются одними из первых колонизаторов и наиболее распространенных бактерий в кишечнике младенцев, родившихся вагинальным путем и находящихся на грудном вскармливании, однако их относительная численность уменьшается после отлучения от груди, в то время как у пожилых людей их численность еще больше снижается [9-11].

Колонизация и персистенция бифидобактерий в кишечнике в значительной степени зависит от арсенала ферментов, расщепляющих углеводы (EC 3.2.1.x), которые позволяют им получать доступ к различным субстратам, полученным из рациона питания и от хозяина, и метаболизировать их не только специфичным для штамма образом, но и посредством совместного перекрестного кормления [12]. Эта стратегия позволяет расширить возможности утилизации углеводов отдельными штаммами бифидобактерий, в то время как конечные продукты их метаболической активности могут, в свою очередь, использоваться другими членами кишечного сообщества [13]. Основными конечными продуктами ферментации углеводного обмена бифидобактерий являются ацетат и лактат, которые поглощаются и превращаются в бутират другими группами бактерий (например, Faecalibacterium, Eubacterium и Roseburia) в толстой кишке посредством метаболического механизма перекрестного питания [3,14]. Роль производства бутирата для хозяина заслуживает внимания, поскольку этот вид SCFAs не только является основным источником энергии для колоноцитов, но и оказывает противовоспалительное действие, модулируя процесс воспаления (подавляя активацию ядерного фактора каппа В путем ингибирования гистондеацетилаз хозяина) [15] и снижая окислительный стресс, связанный с воспалительным процессом [16]. Кроме того, бутират помогает укрепить клеточный барьер толстой кишки, стимулируя выработку муцина и способствуя перистальтике верхних отделов кишечника [17].

Геномика бифидобактерий

Микробная геномика - относительно новая научная дисциплина, которая сосредоточена на секвенировании и анализе бактериальных геномов [18]. В случае с бифидобактериями микробиологическая геномная деятельность на сегодняшний день привела к включению результатов 358 проектов по секвенированию генома в общедоступную базу данных NCBI (включая как секвенирование новых штаммов, так и повторное секвенирование существующих) (https://www.ncbi.nlm.nih.gov). Род Bifidobacterium в настоящее время состоит из 51 вида и 10 подвидов, из которых восемь (B. aquikefiri, B. commune, B. eulemuris, B. hapali, B. lemurum, B. longum subsp. suillum, B. myositis и B. tissieri) представляют собой (подвиды), которые были идентифицированы совсем недавно (таблица 1) (http://www.bacterio.net/bifidobacterium.html). Из них 48 (подвидов) в настоящее время содержат по крайней мере одного секвенированного представителя в общедоступной базе данных NCBI. Кроме того, доступно более 20 последовательностей генома для каждого из следующих пяти видов, B. longum subsp. longum, B. breve, B. bifidum, B. adolescentis и B. animalis subsp. lactis (таблица 1), которые, что неудивительно, представляют собой представителей видов бифидобактерий, которые встречаются у людей и/или коммерчески используются в качестве штаммов, способствующих укреплению здоровья [9,10].

С быстрым увеличением числа доступных последовательностей генома для изучения межвидового и внутривидового разнообразия/рода используется сравнительный анализ таких последовательностей (деятельность, называемая сравнительной геномикой). В случае бифидобактерий сравнительный анализ генома был объединен с пангеномным анализом, где последний оценивает общий набор генетических функций, обнаруженных у представителей определенного бактериального таксона [19]. С помощью комбинаторного подхода, состоящего из парных сравнений BLASTP выведенного белкового продукта каждой идентифицированной ORF у каждого члена данного вида (или другой таксономической единицы), пангеномные вычисления определяют общее количество генов, кодируемых всей группа (пангеном), а также общее количество общих генов, присутствующих во всех изолятах (кор-геном или основной геном). Соответствующая информация пан- и основного генома, определенная по возрастающему числу последовательностей генома, вычисляется с использованием степенного закона, чтобы определить, обеспечили ли секвенированные представители все ожидаемое разнообразие генов, присутствующее в этом таксоне (замкнутый тренд), или если дополнительное секвенирование все еще необходимо до того, как (по существу) будут идентифицированы все гены вида (открытый тренд) [20].

Распространение сравнительного геномного анализа на пангеномные исследования облегчило компиляцию генетических особенностей, присутствующих у всех анализируемых представителей рода Bifidobacterium (таким образом охватывая так называемый основной геном рода), а также идентификацию тех функций, которые встречаются у некоторых, но не у всех представителей (обозначаются как необязательный геном).

В последнем пангеномном анализе, примененном к роду Bifidobacterium, был задействован один представитель всех (из тогдашних) признанных видов, что позволило создать геномную энциклопедию бифидобактерий [21]. Этот пангеномный анализ в сочетании с обширной характеристикой метаболических возможностей гликанов и транскриптомным анализом (RNA-Seq) позволил получить существенные знания об интерактивных профилях использования углеводов сообществами бифидобактерий [21].

Таблица 1. Список видов бифидобактерий, идентифицированных в настоящее время, и статус их секвенирования

Вид	Тип штамма	Кто изолировал	Источник	Средний размер n генома у видов (Mb)	GC, %	Проекты секвени-рования NCBI	Кол-во полных геномов
Bifidobacterium actinocoloniiforme	DSM 22766	Killer et al. 2011	Пищеварительный тракт шмеля	1.8	62.7	3	1
Bifidobacterium adolescentis	ATCC 15703	Reuter 1963	Кишечник взрослого человека	2.1	59.4	26	3
Bifidobacterium aesculapii	DSM 26737	Modesto et al. 2014	Экскременты мартышки	2.7	64.8	1	––
Bifidobacterium angulatum	ATCC 27535	Scardovi and Crociani 1974	Человеческие фекалии	2.0	59.4	5	2
Bifidobacterium animalis subsp. animalis	ATCC 25527	Masco et al. 2004	Крысиные экскременты	2.0	60.3	8	2
Bifidobacterium animalis subsp. lactis	DSM 10140	Masco et al. 2004	Ферментированное молоко	1.9	60.5	24	15
Bifidobacterium aquikefiri	LMG 28769	Laureys et al. 2016	Вода кефирная	––	––	––	––
Bifidobacterium asteroides	ATCC 25910	Scardovi  and Trovatelli 1969	Задняя кишка медоносной пчелы	2.2	60.2	5	1
Bifidobacterium biavatii	DSM 23969	Endo et al. 2012	Кал из тамарина	3.2	63.1	2	–
Bifidobacterium bifidum	ATCC 29521	Tissier 1900	Фекалии младенцев	2.2	62.7	33	5
Bifidobacterium bohemicum	DSM 22767	Killer et al. 2011	Пищеварительный тракт шмеля	2.0	57.4	3	–
Bifidobacterium bombi	DSM 19703	Killer et al. 2009	Пищеварительный тракт шмеля	1.9	56.1	2	–
Bifidobacterium boum	ATCC 27917	Scardovi et al. 1979	Рубец крупного рогатого скота	2.2	59.3	3	–
Bifidobacterium breve	ATCC 15700	Reuter 1963	Кишечник младенца	2.3	58.8	52	11
Bifidobacterium callitrichos	DSM 23973	Endo et al. 2012	Экскременты обыкновенной мартышки	2.9	63.5	2	–
Bifidobacterium catenulatum	ATCC 27539	Scardovi and Crociani 1974	Человеческие фекалии	2.1	56.2	5	1
Bifidobacterium choerinum	ATCC 27686	Scardovi et al. 1979	Свиные фекалии	2.0	65.6	3	–
Bifidobacterium commune	DSM 28792	Praet et al. 2015	Кишечник шмеля	1.6	53.9	1	–
Bifidobacterium coryneforme	ATCC 25911	Biavati et al. 1982	Задняя кишка медоносной пчелы	1.7	60.5	3	1
Bifidobacterium crudilactis	LMG 23609	Delcenserie et al. 2013	Сырое молоко	2.4	57.7	1	–
Bifidobacterium cuniculi	ATCC 27916	Scardovi et al. 1979	Экскременты кролика	2.5	64.9	2	–
Bifidobacterium dentium	ATCC 27534	Scardovi and Crociani 1974	Кариес зубов	2.6	58.5	10	2
Bifidobacterium eulemuris	DSM 100216	Michelini et al. 2016	Экскременты черных лемуров	–	–	–	–
Bifidobacterium faecale	KACC 17904	Choi et al. 2014	Человеческие фекалии	–	–	–	–
Bifidobacterium gallicum	ATCC 49850	Lauer 1990	Человеческие фекалии	2.0	57.5	3	–
Bifidobacterium gallinarum	ATCC 33777	Watabe et al. 1983	Куриная слепая кишка	2.2	64.2	2	–
Bifidobacterium hapali	DSM 100202	Michelini et al. 2016	Экскременты мартышки	–	–	–	–
Bifidobacterium indicum	ATCC 25912	Scardovi and Trovatelli 1969	Задняя кишка медоносной пчелы	1.7	60.5	2	1
Bifidobacterium kashiwanohense	DSM 21854	Morita et al. 2011	Кал здорового младенца	2.4	56.2	4	2
Bifidobacterium lemurum	DSM 28807	Modesto et al. 2015	Экскременты лемуров	2.9	62.6	1	–
Bifidobacterium longum subsp. infantis	ATCC 15697	Mattarelli et al. 2008	Кишечник младенца	2.7	59.8	20	4
Bifidobacterium longum subsp. longum	ATCC 15707	Mattarelli et al. 2008	Кишечник взрослого человека	2.4	60.0	66	17
Bifidobacterium longum subsp. suillum	DSM 28597	Yanokura et al. 2015	Экскременты поросенка	–	–	–	–
Bifidobacterium longum subsp.suis	ATCC 27533	Mattarelli et al. 2008	Свиные фекалии	2.4	60.0	3	–
Bifidobacterium magnum	ATCC 27540	Scardovi and Zani 1974	Кроличьи экскременты	1.8	58.7	3	–
Bifidobacterium merycicum	ATCC 49391	Biavati and Mattarelli 1991	Рубец	2.3	60.3	3	–
Bifidobacterium minimum	ATCC 27538	Biavati et al. 1982	Сточные воды	1.9	62.7	3	–
Bifidobacterium mongoliense	DSM 21395	Watanabe et al. 2009	Ферментированное молоко	2.2	62.8	2	–
Bifidobacterium moukalabense	DSM 27321	Tsuchida et al. 2014	Экскременты гориллы	2.5	60.0	1	–
Bifidobacterium myosotis	DSM 100196	Michelini et al. 2016	Экскременты мартышки	–	–	–	–
Bifidobacterium pseudo-catenulatum	ATCC 27919	Scardovi et al. 1979	Человеческие фекалии	2.4	56.4	15	1
Bifidobacterium pseudolongum subsp. globosum	ATCC 25865	Yaeshima et al. 1992	Рубец	2.0	63.4	3	–
Bifidobacterium pseudolongum subsp. pseudolongum	ATCC 25526	Yaeshima et al. 1992	Свиные фекалии	2.0	63.2	4	1
Bifidobacterium psychraerophilum	JCM 15958	Simpson et al. 2004	Слепая кишка свиньи	2.6	58.7	2	–
Bifidobacterium pullorum	ATCC 27685	Trovatelli et al. 1974	Куриные фекалии	2.1	64.2	2	–
Bifidobacterium reuteri	DSM 23975	Endo et al. 2012	Экскременты мартышки	2.8	60.5	2	–
Bifidobacterium ruminantium	ATCC 49390	Biavati and Mattarelli 1991	Рубец	2.2	59.2	3	–
Bifidobacterium saeculare	ATCC 49392	Biavati et al. 1992	Кроличьи экскременты	2.3	63.7	2	–
Bifidobacterium saguini	DSM 23967	Endo et al. 2012	Кал из тамарина	2.8	56.3	2	–
Bifidobacterium scardovii	DSM 13734	Hoyles et al. 2002	Человеческая кровь	3.1	64.7	5	1
Bifidobacterium stellenboschense	DSM 23968	Endo et al. 2012	Кал из тамарина	2.8	65.3	1	–
Bifidobacterium subtile	ATCC 27537	Biavati et al. 1982	Сточные воды	2.8	60.9	3	–
Bifidobacterium thermacidophilum subsp. porcinum	JCM 16945	Zhu et al. 2003	Анаэробный реактор для очистки сточных вод	–	–	–	–
Bifidobacterium thermacidophilum subsp. therm-acidophilum	JCM 11165	Zhu et al. 2003	Анаэробный реактор для очистки сточных вод	–	–	–	–
Bifidobacterium thermophilum	ATCC 25525	Mitsuoka 1969	Свиные фекалии	2.2	60.0	4	1
Bifidobacterium tissieri	DSM 100201	Michelini et al. 2016	Экскременты мартышки	–	–	–	–
Bifidobacterium tsurumiense	DSM 17777	Okamoto et al. 2008	Зубной налет хомяка	2.2	52.8	3	–

Было также показано, что сравнительный анализ особенно полезен для выявления разнообразия этого рода на видовом уровне, как показано для B. animalis subsp. lactis, B. breve, B. longum subsp. longum, B. adolescentis и B. bifidum [22-26]. Эти исследования показали, что вариабельные генетические функции, присутствующие в штаммах бифидобактерий данного вида, могут способствовать формированию кишечника. Среди этих вариабельных функций есть гены, участвующие в защите бактерий от приобретения ДНК (например системы рестрикции/модификации), а также гены, ответственные за выработку белковых придатков и внеклеточных полисахаридов, а также за утилизацию источника углерода, функции, которые были связаны с колонизацией кишечника бифидобактериями и адаптацией к кишечной среде [22-26].

Адаптация к условиям желудочно-кишечного тракта

Являясь естественными колонизаторами кишечника, бифидобактерии содержат геномы, несущие генетические особенности, позволяющие им успешно преодолевать различные барьеры (например, те, которые возникают из-за низкого рН и секреции желчи) во время их прохождения по желудочно-кишечному тракту (ЖКТ) [27].

Чтобы попасть в толстый кишечник, бифидобактерии должны быть способны справляться со многими неблагоприятными условиями (рис. 1). В верхней части ЖКТ (ротовой полости) воздействие кислорода и выработка свободных радикалов, производимых кислородом, являются вредными факторами, которые особенно влияют на жизнеспособность анаэробных бактерий, таких как бифидобактерии. Тем не менее, некоторые виды бифидобактерий проявили толерантность к кислороду (например, B. animalis subsp. lactis, B. pseudolongum spp., B. psychraerophilum, B. thermophilum и B. asteroides). В дополнение к каталазе и супероксиддисмутазе, активность NADH-оксидазы и пероксидазы способствует такой аэротолерантности бифидобактерий [28-30]. В случае ассоциированных с человеком бифидобактерий (например, B. adolescentis, B. catenulatum, B. pseudocatenulatum, B. bifidum, B. breve и B. longum) было показано, что они обладают различными уровнями чувствительности к кислороду и могут выживать, а могут и не выживать в микроаэрофильных условиях [31]. Однако недавнее исследование показало, что каталаза-положительные кишечные бактерии способны защищать соседние, каталаза-отрицательные бифидобактерии от окислительного стресса, представляя, таким образом, механизм перекрестной защиты между кишечными бактериями, который повышает выживаемость и укоренение бифидобактерий в кишечнике [32].

Рисунок 1. Реакция бифидобактерий на стрессовые факторы в желудочно-кишечном тракте. Различные неблагоприятные условия, которые бифидобактерии должны преодолеть во время своего прохождения по желудочно-кишечному тракту (пунктирная желтая линия), чтобы достичь места своей колонизации в тонком кишечнике (желтый круг). Различные стрессовые факторы, сгруппированные по соответствующей области ЖКТ, указаны на левом поле, в то время как генетические особенности, которые бифидобактерии используют для противодействия таким стрессам, изображены справа.

---

Желудочно-кишечная система обладает естественным способом управления размножением бактерий и сохраняет баланс между своими микробными сообществами. Эта естественная система контроля включает секрецию химических соединений (например, пищеварительных ферментов, желудочного сока, желчи и соляной кислоты) в верхней части ЖКТ. В частности, условия низкого рН в желудке вызывают накопление протонов (Н⁺) в цитоплазме бактерий, тем самым снижая внутриклеточный рН и нарушая протонную движущую силу, влияющую на клеточные транспортные системы. Кроме того, выработка органических кислот (например, ацетат и лактат) кишечными бактериями в качестве конечных продуктов ферментации углеводов способствует снижению рН в кишечнике [33]. Следовательно, умеренная кислотоустойчивость является необходимым признаком для преодоления желудочного барьера, а стратегии преодоления низкого рН у бифидобактерий включают активность F0F1-АТФазы, ответственной за активную экструзию протонов и поддержание гомеостаза рН [34].

Кроме того, выделение желчи в тонком кишечнике как часть переваривания жира представляет собой серьезную проблему для бактерий. Антимикробная активность желчи как липидного эмульгатора воздействует на фосфолипидный бислой бактериальных мембран, тем самым нарушая целостность клеток [35]. Гены бифидобактерий, участвующие в переносимости желчи, включают мембранно-ассоциированные оттоковые насосы, которые активно удаляют накопленные желчные кислоты и соли из цитоплазмы. У бифидобактерий в переносимость желчи у B. longum и B. breve вовлечены мультитранспортные системы, принадлежащие к АТФ-связывающим кассетным транспортерам (ABC-транспортерам) или суперсемейству основных фасилитаторов (MFS) [36]. Было показано, что в дополнение к экспорту желчи в присутствии желчи у B. animalis subsp. lactis усиливается выработка внеклеточного полисахарида (EPS), возможно, в качестве защиты от этого токсичного соединения [37].

В желудочно-кишечном тракте осмотический, окислительный стресс и стресс, вызванный (органической) кислотой, могут вызывать неправильное сворачивание и денатурацию белков. Бифидобактерии содержат в своем основном геноме набор генов, позволяющих справляться с такими сложными условиями, которые включают молекулярные шапероны (groEL, groES, dnaK, grpE и dnaJ), а также АТФаза-протеазные комплексы (clpB, clpC, clpP1 и clpP2) [38,39]. Транскрипция этих генов находится под контролем набора регуляторов транскрипции, в число которых входят ClgR, HspR, HrcA и LexA [40]. Поскольку гомологи этих генов могут быть обнаружены у бифидобактерий, считается, что адаптивные реакции на осмотический, окислительный и кислотный стрессы следуют одинаковым путям для всех членов рода.

Другим фактором, который может влиять на колонизацию бифидобактериями кишечника, является наличие протеаз хозяйского и бактериального происхождения [41], уровень которых в некоторых случаях может увеличиваться в кишечнике в результате воспаления, вызванного хроническим заболеванием и дисбактериозом [42]. Определенные бифидобактерии продуцируют ингибиторы сериновых протеаз (серпины), которые участвуют в инактивации определенных протеаз человека [43] и экспрессия которых опосредована двухкомпонентной сенсорной системой [44,45].

Бифидобактерии и бактериофаги

Долгое время считалось, что бифидобактерии свободны от фаговых инфекций; однако недавние исследования показали, что хищничество фагов играет решающую роль в генетическом составе этого рода [46–49]. Информация, полученная из энциклопедии генома Bifidobacterium [50] в сочетании со сравнительным анализом всего рода, выявила генетическую архитектуру нескольких бифидобактериальных профагов (или бифидофагов) [49]. Профагоподобные элементы встречаются в разном количестве (от одного до шести на изолят) и степени полноты в геномах большинства видов, принадлежащих к этому роду (38 из 48 типовых штаммов). Интересно, что они интегрированы в различные положения бактериальной хромосомы и составляют 3,2% содержания бифидобактериального пангенома [49].

В целом генетическая архитектура бифидофагов напоминает генетическую архитектуру лямбдоидных фагов (см. лямбда-фаг), обладающих модульными областями, которые можно отнести к определенным событиям или функциям в жизненном цикле фага (например, интеграция, репликация ДНК, упаковка ДНК, морфогенез и лизис) [51]. Более тщательное изучение этих генетических модулей также выявило различные уровни дегенерации, что позволяет предположить, что распад генов начинается после фаговой инфекции и интеграции генома, что является обычным явлением среди профаговых геномов [51]. Интересно, что анализ последовательностей также выявил гомологию между фагоподобными генами и спейсерными последовательностями в бифидобактериальных CRISPR-локусах, которые представляют собой (бифидо)бактериальные защитные механизмы против фаговых инфекций [52]. Это открытие ясно указывает на то, что бифидобактерии являются восприимчивы к хищничеству фагов. Распространение этого анализа на доступные микробиомы образцов фекалий младенцев показало, что содержание фаг-ассоциированной ДНК и определенных штаммов бифидобактерий имеет противоположную тенденцию во времени, что позволяет предположить, что бифидофаги действуют как модулирующие агенты в кишечной среде младенцев [49].

Взаимодействие «хозяин – микроб» и эпителиальная адгезия

---

В дополнение к преодолению различных экологических проблем, колонизация кишечника бифидобактериями также зависит от выработки внеклеточных структур (например, пилей или фимбрий), которые обеспечивают адгезию клеток бифидобактерий к слизистой оболочке кишечника хозяина. Пили и фимбрии представляют собой длинные придатки, которые украшают внеклеточную поверхность бифидобактерий [53], участвуя либо во взаимодействиях хозяин–микроб (способствуя адгезии к эпителию кишечника), и/или во взаимодействиях микроб–микроб (способствуя агрегации или конъюгации бактерий) [54] (рис. 2).

Среди внеклеточных структур, участвующих в прикреплении к кишечному эпителию, есть так называемые сортаза-зависимые пили, которые экспрессируются во время колонизации in vivo или прикрепления in vitro к клеточным линиям человека [55]. Генетические локусы, кодирующие сортаза-зависимые пили, обычно состоят из одного или нескольких генов, расположенных вблизи гена, кодирующего сортазу [53]. Сравнительный анализ всего рода и внутри вида выявил переменную природу и количество (от нуля до как минимум трех) этих локусов. Эти локусы, кодирующие пили, были обнаружены в пангеномах различных видов бифидобактерий [22–25]. Интересным случаем в этом отношении является вид B. dentium, который обладает наибольшим количеством таких кластеров, возможно, потому, что структуры, связанные с адгезией, особенно важны для колонизации полости рта (B. dentium обычно выделяют из зубного налета), поскольку эта среда подвергается непрерывному механическому вымыванию бактерий [56].

Дополнительная информация от редактора Доп. рис. 2а (слева). Наличие и морфология пилусоподобных структур у различных видов бифидобактерий. Образцы рассматривали с помощью атомно-силового микроскопа. На панелях a, b и c показаны пилусоподобные структуры бифидобактерий, культивируемых на глюкозе, лактозе или фруктоолигосахариде, соответственно, в качестве единственного источника углерода. Шкала 0,5 мкм (из [53]).

Доп. рис. 2b (слева). Структурное представление основных пилиновых субъединиц B. bifidum PRL2010. BBPR_1707, BBPR_1821 и BBPR_0283 окрашены в голубой, зеленый и желтый цвета соответственно (из [53]).

---

Атомно-силовая микроскопия была использована (см. выше доп. рис. 2а.) для визуального обнаружения фимбрий на поверхности клеток многих бифидобактерий и показала, что эти структуры либо украшают всю поверхность бактерий, либо локализуются на полюсах клеток [53]. Анализ in silico сортазозависимых генов пилусов (или пилей, см. pilus) выявил мотивы последовательностей, которые, как полагают, участвуют в сборке пилусов. Образование пилуса происходит посредством процесса полимеризации, который требует образования ковалентной связи между основными субъединицами пилина и одной или несколькими второстепенными субъединицами, чему способствует транспептидаза или сортаза [57,58]. Сортаза сначала распознает и расщепляет связь треонин-глицин в LPXTG-мотиве субъединицы пилина (см. выше доп. рис. 2b), а затем направляет ковалентную связь между остатком треонина во вновь расщепленном пилине и консервативным лизином второй субъединицы. Остаток глутаминовой кислоты в E-боксе основного пилина затем направляет включение минорной субъединицы в конечную структуру пилина [53,57].

Учитывая различное GC-содержание генов, кодирующих пилусы, и их частое расположение между генами, кодирующими транспозазы, вполне вероятно, что эти кластеры были приобретены бифидобактериями посредством горизонтального переноса генов [53].

Бифидобактериальные сортаза-зависимые пили не только участвуют в обеспечении адгезии к поверхности хозяина, но также ответственны за межмикробные взаимодействия. Примером могут служить пили B. bifidum PRL2010, которые не только направляют взаимодействие с определенными компонентами внеклеточного матрикса (например, фибронектином и коллагеном), но также способствуют их рекрутированию и агрегации в месте адгезии, тем самым усиливая бифидобактериальную колонизацию слизистой оболочки кишечника [59]. Помимо участия в колонизации кишечника, пили могут также модулировать иммунную систему хозяина. Их экспрессия на клеточной поверхности индуцирует локальное высокое производство TNF-α, а также запускает низкоуровневое производство провоспалительного цитокина IL-12, тем самым инициируя перекрестные взаимодействия между иммунными клетками, не вызывая системного ответа. Поскольку бифидобактерии являются доминирующими членами микробиоты кишечника новорожденных, было высказано предположение, что ранний контакт между такими пилями и тканями хозяина способствует развитию иммунной системы ребенка, не вызывая неблагоприятной воспалительной реакции [59].

Так называемые пили с плотным прилеганием (или Tad, от Tight Adherence) представляют собой второй тип пилусов (принадлежащий к типу IVb), необходимый для колонизации кишечника бифидобактериями [60]. || (Прим ред.: Пили типа IV (Tfp) являются наиболее распространенными придатками, исходящими из оболочки бактериальных клеток и выступающими во внеклеточную среду. Они участвуют в адгезии, межклеточных взаимодействиях, аутоагрегации, обмене ДНК и подвижности. Tfp состоит из олигомеризованных субъединиц пилина, собранных с помощью специального механизма выделения типа IV, который развился из предшественника, общего для системы секреции II типа. Механизмы Tfp охватывают бактериальную оболочку, и их сложность зависит от того, присутствует ли внешняя мембрана (грамотрицательные виды) или отсутствует (грамположительные виды). Tfp были классифицированы на два типа — тип IVa и тип IVb - в зависимости от особенностей их пилинов). || Как показали геномные и функциональные исследования, Tad-пили B. breve UCC2003 экспрессируются только в условиях in vivo в кишечнике мышей, а неспособность продуцировать Tad-пили предотвращает колонизацию и персистенцию кишечника B. breve UCC2003 [60]. Как и зависимые от сортазы пили, Tad-пили также обладают многосубъединичной структурой, но связь субъединиц осуществляется посредством нековалентных связей, тогда как клеточное прикрепление осуществляется к липидному бислою мембраны, а не к клеточной стенке. Tad-пили широко распространены среди грамположительных и грамотрицательных бактерий, а их присутствие в бифидобактериях является консервативной особенностью среди всех проанализированных представителей этого рода [22, 61].

Все необходимые компоненты, необходимые для производства Tad-пилей, кодируются кластерным набором генов, за исключением гена, кодирующего TadV (см. ниже). Белок, определяющий сайт перегородки* (TadZ), отвечает за локализацию системы секреции ворсинок, которая состоит из АТФазы (TadA) и двух трансмембранных белков (TadB и TadC). Структурными компонентами пили Tad являются препилин (Flp) и два псевдопилина (TadE и TadF), все три, как предсказано, требуют посттрансляционного процессинга, катализируемого пептидазой препилина (TadV, кодируется геном, не связанным с другими tad-генами). (*Белки, которые участвуют в регуляции клеточного деления и прогрессирования – ред.)

Наличие третьего типа пилуса (тип IVa) было описано у B. adolescentis, хотя его функция до сих пор остается предметом спекуляций [24].

В дополнение к ворсинчатым структурам было также показано, пока только в условиях in vitro, что некоторые «подрабатывающие» белки (см. совместительство белков) могут способствовать адгезии бифидобактерий к ткани хозяина. В эту группу белков входят консервативные и высоко- и конститутивно экспрессируемые цитоплазматические ферменты центрального углеродного обмена или молекулярные шапероны (например, трансальдолаза и DnaK), которые в данных условиях проявляют себя как внеклеточные, ассоциированные с клеточной оболочкой белки и способствуют связыванию со структурами хозяина (например, муцином и плазминогеном) [62,63].

Взаимодействие хозяина и микроба и внеклеточный биосинтез полисахаридов

Другой поверхностной структурой бифидобактерий, участвующей во взаимодействии «микроб-хозяин», является слой внеклеточного полисахарида (EPS или ЭПС) или поверхностная капсула [64]. Производство бактериального ЭПС привлекло значительное научное внимание из-за его актуальности для молочной промышленности, медицины и здравоохранения [65].

Способность комменсалов кишечника синтезировать ЭПС считается желательной чертой, поскольку было показано, что ЭПС модулирует иммунную систему, а также может улучшать толерантность бактерий к неблагоприятным условиям в кишечнике (например, желчи и низкому уровню pH; упоминалось выше) и может выступать в качестве субстрата роста для других бактерий [66].

С геномной точки зрения гены, ответственные за биосинтез ЭПС у бифидобактерий, обычно группируются [22,23]. Считается, что в конкретном случае B. breve две отдельные области генома (ЭПС кластера 1 и ЭПС кластера 2) ответственны за продукцию разных типов ЭПС. Кластер 1, по-видимому, умеренно консервативен у представителей своего вида и, как полагают, участвует в образовании полисахарида, ассоциированного с клеточной стенкой. Недавнее исследование, основанное на полногеномном инсерционном мутагенезе B. breve UCC2003, показало, что кластер 1 необходим для роста и/или выживания этого штамма в лабораторных условиях [67]. Напротив, кластер ЭПС 2 B. breve UCC2003 не является существенным и состоит из двух дивергентно ориентированных кластеров генов, каждый из которых, как полагают, экспрессирует биосинтетический аппарат для отдельного ЭПС, связанного с поверхностью [22,68].

Первый анализ in silico, проведенный на 10 представителях бифидобактерий, показал, что участки ДНК, ответственные за биосинтез ЭПС, сильно варьируют у разных видов [66]. В частности, это исследование выявило набор генов, которые можно использовать в качестве детерминантов для определения наличия (полных) кластеров ЭПС в геномах бифидобактерий. Эти гены кодируют следующие функции: праймирующую гликозилтрансферазу (pGTF, отвечающую за инициацию биосинтеза субъединиц ЭПС), одну или несколько гликозилтрансфераз (GTFs, для биосинтеза субъединиц ЭПС), флиппазу или ABC-транспортер для транспорта субъединиц ЭПС через мембрану, полимеразу для соединения транспортируемых субъединиц ЭПС, детерминанту длины цепи и различные ферменты биосинтеза или модификации моносахаридов [66,69].

Последующее исследование, направленное на характеристику всего набора ЭПС-кодирующих регионов в пан-геноме Bifidobacterium (также названном eps-геномом), позволило получить более широкий обзор продукции ЭПС представителями рода. В результате этого сравнительного исследования выяснилось, что среди 48 исследованных (под)видов рода Bifidobacterium полные ЭПС-кодирующие регионы можно найти у всех, кроме B. bifidum. Однако дальнейшая функциональная оценка показала, что фенотип седиментации, свидетельствующий о непродуцирующем ЭПС штамме, был идентифицирован в 23% проанализированных случаев, в то время как остальные 77% указывали либо на положительные, либо на промежуточные фенотипические признаки, что свидетельствует о чрезвычайной вариабельности продукции ЭПС у представителей этого рода [70].

Более того, стратегия культивирования различных штаммов бифидобактерий, выращенных на средах, имитирующих среду кишечника человека (младенца или взрослого), показала модуляцию экспрессии генов ЭПС в зависимости от условий в кишечнике. Интересно, что в этих условиях роста гены, участвующие в биосинтезе ЭПС (например, GTFs, АВС-транспортеры и белки биосинтеза полисахаридов), оказались высоко транскрибируемыми, что согласуется с представлением о том, что биосинтез ЭПС представляет собой деятельность, которую бифидобактерии перенимают для колонизации и выживания в кишечнике [37,70,71].

В случае с ЭПС бифидобактерий многие исследования уже прояснили способность ЭПС модулировать иммунный ответ хозяина. Исследование in vitro показало, что продуцирование ЭПС бифидобактерий не только способствует адгезии штаммов к клеточным линиям кишечника, но и вызывает различный уровень иммунного ответа, который, вероятно, зависит от размера, структуры и состава моносахаридов ЭПС [72]. Более того, было показано, что ЭПС, продуцируемый B. breve UCC2003 на поверхности клеток, в условиях in vivo функционирует как "иммунологический глушитель", снижая реакцию антител в мышиной модели, тем самым защищая этот штамм от клиренса адаптивной иммунной системой [71]. Кроме того, недавний анализ поверхностного внеклеточного полисахарида, продуцируемого B. longum subsp. longum 35624™, показал, что ЭПС этого штамма предотвращает индукцию мощного воспалительного ответа, направленного против этой комменсальной бактерии, что подтверждает иммуномодулирующую функцию бифидобактериальных капсул [73].

С помощью ядерного магнитного резонанса и хроматографических методов были определены структура и гликановый состав нескольких ЭПС биобактерий. Например, ЭПС, продуцируемые штаммами B. bifidum, B. breve, B. longum subsp. infantis, B. longum и B. animalis subsp. lactis, обычно состоят из единиц глюкозы и галактозы, иногда присутствует рамноза [74,75]. Интересно, что недавняя характеристика капсульной структуры B. longum subsp. longum 35624™ показала наличие необычной 6-дезокси-L-талозной единицы в этом ЭПС [76]. Еще один важный вывод был сделан при характеристике фракции ЭПС штамма B. longum subsp. longum W11. Эта ЭПС состоит из смеси двух различных компонентов ЭПС, наиболее многочисленный из которых образован двумя сходными повторяющимися субъединицами [77].

Утилизация углеводов бифидобактериями

Разложение углеводов, полученных из пищи и хозяина, которые не могут метаболизироваться хозяином, представляет собой один из способов, с помощью которых бифидобактерии (и другие кишечные комменсалы) обеспечивают свою колонизацию и персистенцию в кишечнике. Неперевариваемые углеводы, получаемые с пищей и используемые бифидобактериями, включают олигосахариды (например, раффинозу, мелезитозу, мальтотриозу и стахиозу), полиолы (например, маннит и сорбит) и пищевые волокна (например, резистентные крахмалы, мальтодекстрины, фруктаны, пектин, целлюлозу, галактан, ксиланы, арабинан, арабиногалактан и арабиноксилан). Некоторые бифидобактерии также используют различные гликаны, полученные из хозяина, такие как олигосахариды грудного молока (HMOs), O-связанные гликаны (например, углеводы, полученные из слизи) или N-связанные гликаны (например, сахаридные компоненты гликопротеинов) (рис. 3).

Будучи сахаролитическими организмами, геномы бифидобактерий содержат специфические кассеты генов, предназначенные для утилизации различных углеводов, которые часто объединены в кластеры, содержащие один или несколько генов, кодирующих гликозилгидролазу (GH), а также гены, кодирующие транспортные системы и один или несколько транскрипционных регуляторов [78].

Деградация углеводов бифидобактериями происходит под действием внеклеточных или внутриклеточных GHs, которые функционируют совместно со специальными системами поглощения, включая специфические для сахаров ABC-транспортеры, MFS-транспортеры, симпортеры и фосфоенолпируват-фосфотрансферазные системы. В случае сложных полисахаридов внеклеточные GHs сначала деградируют такие полимеры до моно- или олигосахаридов, которые затем интернализуются системами поглощения.

Попав в цитоплазму, эти сахара иногда могут потребовать дальнейшей обработки (например, эпимеризации, деацетилирования, дезаминирования и/или фосфорилирования) для образования (фосфорилированных) моносахаридов, которые затем вступают в центральный путь бифидобактериальной ферментации [78]. Этот центральный метаболический путь, по которому простые и сложные углеводы в конечном итоге сходятся для производства энергии в бифидобактериях, представляет собой так называемый бифидошунт. Этот специфический путь способен производить 2,5 молекулы АТФ на один моль глюкозы, 1,5 моля ацетата и 1 моль лактата [78]. Ключевым ферментом этого центрального пути является фруктозо-6-фосфатфосфокетолаза, которую часто используют в качестве биохимического маркера для представителей рода Bifidobacterium [79]. Простые углеводы, такие как глюкоза и фруктоза, не требуют дальнейшей модификации перед вступлением в путь «бифидо-шунта» (кроме фосфорилирования), в то время как сложные поли-/олигосахариды должны быть сначала гидролизованы, как правило, гормонами роста (которые расположены внеклеточно или внутриклеточно). В конкретном случае галактозы этот углевод входит в центральный углеродный метаболизм по отдельному пути, называемому путем Лелуара, превращая галактозу в глюкозо-6-фосфат и позволяя бифидобактериям расти на (га)лактозосодержащих субстратах, полученных из хозяина [78].

Наиболее распространенными GHs, обнаруженными в бифидобактериях, являются α-глюкозидазы (семейство GH 13) [21], которые участвуют в деградации субстратов, содержащих α-глюкопиранозные единицы (например, пуллулан, гликоген, мальтодекстрин, крахмал и амилопектин). Поскольку крахмалы представляют собой легкоусвояемые углеводы, которые часто вводятся в рацион ребенка при переходе от молока к твердой пище, способность ферментировать эти субстраты может, таким образом, способствовать бифидобактериальной колонизации (младенческого) кишечника.

Бифидобактериальные β-галактозидазы (семейства GH 2 и 42) представляют собой еще один набор ферментов, широко распространенных в этом роде, позволяющий бифидобактериям расти на лактозе, галактане и галактоолигосахаридах, а также удалять галактозные фрагменты из олигосахаридов, полученных из муцина и молока. [78,80,81].

Кроме того, GHs, позволяющие бифидобактериям использовать соевое молоко и родственные субстраты, представляют собой α-галактозидазы (семейство GH 36), которые катализируют расщепление α-галактоолигосахаридов в полисахариды, такие как мелибиоза, раффиноза и стахиоза [82].

Менее изученными GHs этого рода являются β-глюкозидазы (семейства GH 1 и 3), которые могут участвовать в утилизации субстратов растительного происхождения. Эти гормоны роста позволяют бифидобактериям использовать целлобиозу и целлодекстрин, но могут также воздействовать на биологически активные молекулы, такие как природные фенолы или флавоноиды. По этой причине их будущие исследования могут быть особенно актуальными для пищевой и фармацевтической промышленности [78,83].

Присутствие β-фруктофуранозидаз, также известных как инвертазы или сахаразы (семейство GH 32), в бифидобактериях может быть связано с использованием ими сахарозы и пребиотических короткоцепочечных фруктоолигосахаридов [84].

Другое семейство GH, присутствующее в бифидобактериях и направленное на гидролиз гликозидных связей, обнаруживаемых в олигосахаридах клеточной стенки растительного происхождения, состоит из арабинофуранозидаз и ксиланаз (семейство GH 43), гены которых обычно присутствуют во множестве копий у B. longum subsp. подвид longum [23].

Среди гликанов, полученных от хозяина, муцины и молочные олигосахариды (HMOs) являются важными углеводами, ответственными за бифидобактериальную колонизацию кишечника младенцев (на грудном вскармливании). HMOs представляют собой сложные неконъюгированные гликаны, которые обнаруживаются в составе женского молока [85]. Они устойчивы к желудочно-кишечному перевариванию, поэтому их присутствие в толстой кишке служит селективным субстратом роста для бифидобактерий. Они производятся в молочной железе и состоят преимущественно из единиц D-глюкозы, D-галактозы, L-фукозы, N-ацетилглюкозамина и сиаловой кислоты (N-ацетилнейраминовой кислоты), связанных с дисахаридом лактозой [86,87]. Интересно, что недавно были описаны различные пути использования различных HMOs у видов бифидобактерий. В случае B. longum subsp. infantis, утилизация HMOs зависит от первоначальной интернализации интактных HMOs с последующей внутриклеточной деградацией, управляемой набором гликозилгидролаз (например, α-фукозидазой, α-сиалидазой, β-галактозидазой и β-N-гексозаминидазой) [88]. Напротив, B. bifidum разрушает HMOs внеклеточно, после чего высвобождаемые единицы галактозы, глюкозы и лакто-N-триозы интернализуются и вступают в соответствующие ферментативные пути [89]. Третий случай включает такие бифидобактерии-«мусорщики», как B. breve и B. longum subsp. longum, которые могут использовать лишь небольшую часть структурно различных HMOs, а иногда только посредством перекрестного питания из-за активности других видов, таких как B. bifidum, которые способны к внеклеточному гидролизу более крупных HMOs [89,90]. Стоит отметить, что использование НМОs, таких как 2'-фукозиллактоза и 3'-фукозиллактоза, является штаммо- или видоспецифичной особенностью, наблюдаемой до сих пор у B. longum subsp. infantis, B. longum subsp. longum, B. longum subsp. suis и B. kashiwanohense, будучи зависимой от активности генов, таких как α-фукозидаза, L-фуконолактонгидролаза, фуконатдегидратаза и L-фукозомутаротаза, которые расположены вблизи гена, кодирующего фукозопермеазу [91– 93].

Другой класс гликанов хозяина состоит из муцинов, которые образуют защитный слой от физических и химических повреждений поверхностей слизистых оболочек. К настоящему времени описаны четыре общие основные структуры О-гликана, представляющие собой гетерогенные комбинации галактозы, N-ацетилглюкозамина, N-ацетилгалактозамина, фукозы и сиаловой кислоты, связанных посредством различных гликозидных связей [94].

Ядерная (основная) структура муцинов аналогична НМОs, но по-другому соединена гликозидными связями, что приводит к различным структурам. По этой причине пути деградации этих двух типов гликанов включают сходные ферменты, среди которых закрепленные в клеточной стенке N-ацетил-β-гексозаминидазы, β-галактозидазы, α-L-фукозидазы и экзо-α-сиалидазы. Однако использование НМОs или муцинов в качестве субстратов роста бифидобактерий строго зависит от вида. Примером может служить B. bifidum PRL2010, который, как было показано, кодирует набор гликолитических ферментов, наделяющих этот микроб метаболической способностью использовать как О-гликаны муцинового типа, так и НМОs [89]. Напротив, B. breve UCC2003 может расти на муцине только за счет перекрестного питания сиаловой кислотой (и, возможно, другими моносахаридами), высвобождаемыми B. bifidum в ходе деградации муцина [95].

Последнее социальное или кооперативное поведение представляет собой типичный пример того, как бактерии могут выживать и размножаться в конкурентной среде кишечника. Недавнее исследование, включавшее колонизацию кишечника мышей совместными ассоциациями B. bifidum, B. adolescentis, B. breve и B. longum subsp. infantis в сочетании с анализом их относительных транскриптомов выявили, как модуляция экспрессии генов полисахаридов, полученных из рациона (например, ксилана, арабиноксилана, маннозы и крахмала) и гликанов, полученных из организма хозяина (например, муцина), стимулирует бифидобактериальную колонизацию кишечника. Кроме того, эта работа показывает, что мутуалистическое перекрестное питание бифидобактерий и других групп бактерий в кишечнике является стратегией, принятой для повышения их общего уровня конкурентоспособности [12].

Выводы и перспективы на будущее

Присутствие бифидобактерий в кишечнике млекопитающих различными способами способствует здоровью хозяина и обеспечивает важную поддержку метаболизма хозяина, участвуя в сахаролитической ферментации углеводов, конечные продукты которой положительно влияют на клетки хозяина и кишечное сообщество [3]. Изучение рода Bifidobacterium началось лишь относительно недавно, и раскрытие растущего числа последовательностей генома в сочетании с обширными сравнительными и функциональными подходами позволило нам значительно расширить наши знания о динамических взаимодействиях, которыми они обладают со своим (человеком) хозяином. Расширение исследовательских усилий в области геномики и метаболизма бифидобактерий за последнее десятилетие позволило улучшить понимание молекулярных аспектов, лежащих в основе их предполагаемых полезных для здоровья свойств, их общей биологии и метаболизма, а также их способности колонизировать и сохраняться в кишечной среде. Применение полученных знаний особенно актуально для (функционального) пищевого и фармацевтического секторов, где штаммы бифидобактерий коммерциализируются в качестве функциональных ингредиентов пробиотических пищевых продуктов. С появлением новых пробиотических и симбиотических продуктов, содержащих бифидобактерии, присутствующих в составе мультиштаммовых или многовидовых смесей, требуются дополнительные исследовательские усилия, чтобы понять их полезное взаимодействие с хозяином и определить высокоэффективные комбинации штаммов.

Описаны различные генетические особенности бифидобактерий, необходимые для их установления и сохранения в кишечнике; однако наше понимание взаимодействия между бифидобактериями, человеком (хозяином) и другими членами кишечного сообщества далеко не полное. В этой связи сочетание сравнительной и функциональной геномики представляется особенно мощным подходом к исследованию геномов биобактерий. Однако этот подход сильно ограничен из-за того, что он часто опирается на отдельные культивируемые штаммы и системы in vitro.  Поскольку кишечная среда представляет собой чрезвычайно сложную систему, будущие функциональные исследования должны будут расширить наши приобретенные знания на уровне сообщества, чтобы проверить и расширить наши текущие знания.

Другим ограничением в функциональном исследовании взаимодействия бифидобактерий с хозяином является то, что целевые мутации генов в бифидобактериях возможны только для относительно небольшого числа штаммов [23,96,97]. В связи с этим потребуется задействовать больше ресурсов, чтобы повысить генетическую доступность штаммов бифидобактерий, тем самым расширив возможность проведения сравнительного функционального анализа для большего числа штаммов, а также распространив такие исследования на условия in vivo. Интересно, что недавнее исследование in vivo уже показало, как перорально вводимый B. longum subsp. longum AH1206 способен сохраняться не менее 6 месяцев в кишечнике 30% испытуемых [98]. Результаты этого исследования особенно актуальны в контексте вмешательств, модулирующих микробиоту, поскольку они показывают, как могут быть восстановлены недостаточно представленные гены бифидобактерий в микробиоте кишечника отдельных людей, что открывает будущие возможности для персонализированной терапии на основе микробиоты.

Значение бифидобактерий для здоровья человека особенно важно в раннем возрасте, поскольку их присутствие в кишечнике способствует поддержанию правильного баланса между бактериальными сообществами, причем такие эффекты важны для состояния здоровья в более позднем возрасте [99].

Поэтому для полного понимания факторов, влияющих на присутствие бифидобактерий в кишечнике (младенца), и сложных взаимоотношений (сосуществования и исключения) бифидобактерий с другими членами микробиоты кишечника необходимо приложить значительные исследовательские усилия. В случае с младенцами с недостаточным питанием было показано, что сиалилированные гликаны (такие как HMOs женского молока, содержащие сиаловые кислоты) менее распространены, когда прикорм и молочная смесь вводятся в рацион ребенка как часть диеты для лечения дефицита питательных веществ, что также вызывает пагубные последствия. на хосте [100]. Таким образом, эти новые знания о существующей взаимосвязи между микробиотой кишечника и диетой вызывают необходимость разработки более эффективных стратегий вмешательства, чтобы обеспечить правильную и сбалансированную (бифидобактериальную) колонизацию кишечника в младенчестве, тем самым противодействуя будущему всплеску метаболических заболеваний и глобально улучшая состояние нашего здоровья.

Дополнительная информация

• Колонизация и пробиотическая функция B. longum
• Бифидобактерии и бутират-продуцирующие бактерии
• Бифидобактерия Лонгум - помощник в лечении ВЗК
• Современный взгляд на бифидобактерии
• Витаминсинтезирующая способность бифидобактерий
• Виды (типовые штаммы) бифидобактерий
• Общие характеристики бифидобактериальных геномов
• Антиоксидантные свойства бифидобактерий B. longum
• Бифидобактерии B. longum помогают при целиакии
• Снижение холестерина бифидобактериями B. longum
• B. longum помогают при хронической болезни почек
• Бифидобактерии B. longum в лечении СРК с диареей
• Роль бифидобактерий в здоровье младенцев

Литература

1. Arboleya, S., Watkins, C., Stanton, C. and Ross, R.P. (2016) Gut bifidobacteria populations in human health and aging. Front. Microbiol.7, 1204 https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.01204
2. Duranti, S., Ferrario, C., van Sinderen, D., Ventura, M. and Turroni, F. (2017) Obesity and microbiota: an example of an intricate relationship. Genes Nutr. 12, 18 https://doi.org/10.1186/s12263-017-0566-2
3. Rivière, A., Selak, M., Lantin, D., Leroy, F. and De Vuyst, L. (2016) Bifidobacteria and butyrate-producing colon bacteria: importance and strategies for their stimulation in the human gut. Front. Microbiol. 7, 979 https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.00979
4. Hamer, H.M., De Preter, V., Windey, K. and Verbeke, K. (2012) Functional analysis of colonic bacterial metabolism: relevant to health? Am.J.Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. 302, G1–G9 https://doi.org/10.1152/ajpgi.00048.2011
5. Black, F.T., Andersen, P.L., Orskov, J., Orskov, F., Gaarslev, K. and Laulund, S. (1989) Prophylactic efficacy of lactobacilli on traveller’s diarrhea. In Travel Medicine (Steffen, R. ed.), pp. 333–335, Springer, Zurich, Switzerland/Berlin, Germany
6. Patole, S.K., Keil, A.D., Nathan, E., Doherty, D., Esvaran, M., Simmer, K.N. et al. (2016) Effect of Bifidobacterium breve M-16V supplementation on faecal bifidobacteria in growth restricted very preterm infants — analysis from a randomised trial. J.Matern. Fetal Neonatal Med.29, 3751–3755 https://doi.org/10.3109/14767058.2016.1147554
7. Ventura, M., Canchaya, C., Fitzgerald, G.F., Gupta, R.S. and van Sinderen, D. (2007) Genomics as a means to understand bacterial phylogeny and ecological adaptation: the case of bifidobacteria. Antonie van Leeuwenhoek 91, 351–372 https://doi.org/10.1007/s10482-006-9122-6
8. Milani, C., Mangifesta, M., Mancabelli, L., Lugli, G.A., James, K., Duranti, S. et al. (2017) Unveiling bifidobacterial biogeography across the mammalian branch of the tree of life. ISME J. 11, 2834–2847 https://doi.org/10.1038/ismej.2017.138
9. Turroni, F., Peano, C., Pass, D.A., Foroni, E., Severgnini, M., Claesson, M.J. et al. (2012) Diversity of bifidobacteria within the infant gut microbiota. PLoS ONE 7, e36957 https://doi.org/10.1371/journal.pone.0036957
10. Tannock, G.W., Lee, P.S., Wong, K.H. and Lawley, B. (2016) Why don’t all infants have bifidobacteria in their stool? Front. Microbiol. 7, 834 https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.00834
11. Duranti, S., Lugli, G.A., Mancabelli, L., Armanini, F., Turroni, F., James, K. et al. (2017) Maternal inheritance of bifidobacterial communities and bifidophages in infants through vertical transmission. Microbiome 5, 66 https://doi.org/10.1186/s40168-017-0282-6
12. Turroni, F., Milani, C., Duranti, S., Mancabelli, L., Mangifesta, M., Viappiani, A. et al. (2016) Deciphering bifidobacterial-mediated metabolic interactions and their impact on gut microbiota by a multi-omics approach. ISME J. 10, 1656–1668 https://doi.org/10.1038/ismej.2015.236
13. van Hoek, M.J.A. and Merks, R.M.H. (2017) Emergence of microbial diversity due to cross-feeding interactions in a spatial model of gut microbial metabolism. BMC Syst. Biol. 11, 56 https://doi.org/10.1186/s12918-017-0430-4
14. De Vuyst, L., Moens, F., Selak, M., Rivière, A. and Leroy, F. (2014) Summer meeting 2013: growth and physiology of bifidobacteria. J.Appl.Microbiol. 116, 477–491 https://doi.org/10.1111/jam.12415
15. Inan, M.S., Rasoulpour, R.J., Yin, L., Hubbard, A.K., Rosenberg, D.W. and Giardina, C. (2000) The luminal short-chain fatty acid butyrate modulates NF-κB activity in a human colonic epithelial cell line. Gastroenterology 118, 724–734 https://doi.org/10.1016/S0016-5085(00)70142-9
16. Rezaie, A., Parker, R.D. and Abdollahi, M. (2007) Oxidative stress and pathogenesis of inflammatory bowel disease: an epiphenomenon or the cause? Dig. Dis. Sci. 52, 2015–2021 https://doi.org/10.1007/s10620-006-9622-2
17. Hamer, H.M., Jonkers, D., Venema, K., Vanhoutvin, S., Troost, F.J. and Brummer, R.-J. (2008) Review article: the role of butyrate on colonic function. Aliment. Pharmacol. Ther. 27, 104–119 https://doi.org/10.1111/j.1365-2036.2007.03562.x
18. Edwards, D.J. and Holt, K.E. (2013) Beginner’s guide to comparative bacterial genome analysis using next-generation sequence data. Microb.Inform. Exp. 3, 2 https://doi.org/10.1186/2042-5783-3-2
19. Medini, D., Donati, C., Tettelin, H., Masignani, V. and Rappuoli, R. (2005) The microbial pan-genome. Curr.Opin.Genet.Dev.15, 589–594 https://doi.org/10.1016/j.gde.2005.09.006
20. Tettelin, H., Masignani, V., Cieslewicz, M.J., Donati, C., Medini, D., Ward, N.L. et al. (2005) Genome analysis of multiple pathogenic isolates of Streptococcus agalactiae: implications for the microbial ‘pan-genome’. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 13950–13955 https://doi.org/10.1073/pnas. 0506758102
21. Milani, C., Turroni, F., Duranti, S., Lugli, G.A., Mancabelli, L., Ferrario, C. et al. (2016) Genomics of the genus Bifidobacteriumreveals species-specific adaptation to the glycan-rich gut environment. Appl. Environ. Microbiol. 82, 980–991 https://doi.org/10.1128/AEM.03500-15
22. Bottacini, F., O’Connell Motherway, M., Kuczynski, J., O’Connell, K.J., Serafini, F., Duranti, S. et al. (2014) Comparative genomics of the Bifidobacterium breve taxon. BMC Genomics 15, 170 https://doi.org/10.1186/1471-2164-15-170
23. O’Callaghan, A., Bottacini, F., O’Connell Motherway, M. and van Sinderen, D. (2015) Pangenome analysis of Bifidobacterium longum and site-directed mutagenesis through by-pass of restriction-modification systems. BMC Genomics 16, 832 https://doi.org/10.1186/s12864-015-1968-4
24. Duranti, S., Milani, C., Lugli, G.A., Mancabelli, L., Turroni, F., Ferrario, C. et al. (2016) Evaluation of genetic diversity among strains of the human gut commensal Bifidobacterium adolescentis. Sci. Rep. 6, 23971 https://doi.org/10.1038/srep23971
25. Duranti, S., Milani, C., Lugli, G.A., Turroni, F., Mancabelli, L., Sanchez, B. et al. (2015) Insights from genomes of representatives of the human gut commensal Bifidobacterium bifidum. Environ. Microbiol. 17, 2515–2531 https://doi.org/10.1111/1462-2920.12743
26. Milani, C., Duranti, S., Lugli, G.A., Bottacini, F., Strati, F., Arioli, S. et al. (2013) Comparative genomics of Bifidobacterium animalis subsp. lactisreveals a strict monophyletic bifidobacterial taxon. Appl. Environ. Microbiol. 79, 4304–4315 https://doi.org/10.1128/AEM.00984-13
27. Ruiz, L., Ruas-Madiedo, P., Gueimonde, M., de Los Reyes-Gavilán , C.G., Margolles, A. and Sánchez, B. (2011) How do bifidobacteria counteract environmental challenges? Mechanisms involved and physiological consequences. Genes Nutr. 6, 307–318 https://doi.org/10.1007/s12263-010-0207-5
28. Beerens, H., Gavini, F. and Neut, C. (2000) Effect of exposure to air on 84 strains of Bifidobacteria. Anaerobe6, 65–67 https://doi.org/10.1006/anae.1999.0317
29. Shimamura, S., Abe, F., Ishibashi, N., Miyakawa, H., Yaeshima, T., Araya, T. et al. (1997) Relationship between oxygen sensitivity and oxygen metabolism of Bifidobacterium species. J. Dairy Sci. 75, 3296–3306 PMID: 1474198
30. Ruiz, L., Gueimonde, M., Ruas-Madiedo, P., Ribbera, A., de Los Reyes-Gavilan, C.G., Ventura, M. et al. (2012) Molecular clues to understand the aerotolerance phenotype of Bifidobacterium animalis subsp. lactis. Appl.Environ.Microbiol.78, 644–650 https://doi.org/10.1128/AEM.05455-11
31. Kawasaki, S., Mimura, T., Satoh, T., Takeda, K. and Niimura, Y. (2006) Response of the microaerophilic Bifidobacteriumspecies, B.boum and B. thermophilum, to oxygen. Appl. Environ. Microbiol. 72, 6854–6858 https://doi.org/10.1128/AEM.01216-06
32. Rodríguez, E., Peirotén, Á., Landete, J.M., Medina, M. and Arqués, J.L. (2015) Gut catalase-positive bacteria cross-protect adjacent bifidobacteria from oxidative stress. Microbes Environ. 30, 270–272 https://doi.org/10.1264/jsme2.ME15025
33. den Besten, G., van Eunen, K., Groen, A.K., Venema, K., Reijngoud, D.-J. and Bakker, B.M. (2013) The role of short-chain fatty acids in the interplay between diet, gut microbiota, and host energy metabolism. J. Lipid Res. 54, 2325–2340 https://doi.org/10.1194/jlr.R036012
34. Matsumoto, M., Ohishi, H. and Benno, Y. (2004) H⁺-ATPase activity in Bifidobacteriumwith special reference to acid tolerance. Int.J.FoodMicrobiol. 93, 109–113 https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2003.10.009
35. Merritt, M.E. and Donaldson, J.R. (2009) Effect of bile salts on the DNA and membrane integrity of enteric bacteria. J. Med. Microbiol. 58, 1533–1541 https://doi.org/10.1099/jmm.0.014092-0
36. Ruiz, L., Margolles, A. and Sánchez, B. (2013) Bile resistance mechanisms in Lactobacillus and Bifidobacterium. Front. Microbiol.4, 396 https://doi.org/10.3389/fmicb.2013.00396
37. Ruas-Madiedo, P., Gueimonde, M., Arigoni, F., de los Reyes-Gavilan, C.G. and Margolles, A. (2009) Bile affects the synthesis of exopolysaccharides by Bifidobacterium animalis. Appl.Environ.Microbiol.75, 1204–1207 https://doi.org/10.1128/AEM.00908-08
38. Ventura, M., Canchaya, C., Zink, R., Fitzgerald, G.F. and van Sinderen, D. (2004) Characterization of the groEL and groES loci in Bifidobacterium breve UCC 2003: genetic, transcriptional, and phylogenetic analyses. Appl. Environ. Microbiol. 70, 6197–6209 https://doi.org/10.1128/AEM.70.10. 6197-6209.2004
39. Ventura, M., Kenny, J.G., Zhang, Z., Fitzgerald, G.F. and van Sinderen, D. (2005) The clpB gene of Bifidobacterium breve UCC 2003: transcriptional analysis and first insights into stress induction. Microbiology 151, 2861–2872 https://doi.org/10.1099/mic.0.28176-0
40. Zomer, A., Fernandez, M., Kearney, B., Fitzgerald, G.F., Ventura, M. and van Sinderen, D. (2009) An interactive regulatory network controls stress response in Bifidobacterium breve UCC2003. J. Bacteriol. 191, 7039–7049 https://doi.org/10.1128/JB.00897-09
41. Carroll, I.M. and Maharshak, N. (2013) Enteric bacterial proteases in inflammatory bowel disease-pathophysiology and clinical implications. World J. Gastroenterol. 19, 7531–7543 https://doi.org/10.3748/wjg.v19.i43.7531
42. Vergnolle, N. (2016) Protease inhibition as new therapeutic strategy for GI diseases. Gut65, 1215–1224 https://doi.org/10.1136/gutjnl-2015-309147
43. Ivanov, D., Emonet, C., Foata, F., Affolter, M., Delley, M., Fisseha, M. et al. (2006) A serpin from the gut bacterium Bifidobacterium longum inhibits eukaryotic elastase-like serine proteases. J. Biol. Chem. 281, 17246–17252 https://doi.org/10.1074/jbc.M601678200
44. Turroni, F., Foroni, E., O’Connell Motherway, M., Bottacini, F., Giubellini, V., Zomer, A. et al. (2010) Characterization of the serpin-encoding gene of Bifidobacterium breve 210B. Appl.Environ.Microbiol.76, 3206–3219 https://doi.org/10.1128/AEM.02938-09
45. Alvarez-Martin, P., O’Connell Motherway, M., Turroni, F., Foroni, E., Ventura, M. and van Sinderen, D. (2012) A two-component regulatory system controls autoregulated serpin expression in Bifidobacterium breve UCC2003. Appl. Environ. Microbiol. 78, 7032–7041 https://doi.org/10.1128/AEM.01776-12
46. Ventura, M., Lee, J.-H., Canchaya, C., Zink, R., Leahy, S., Moreno-Munoz, J.A. et al. (2005) Prophage-like elements in bifidobacteria: insights from genomics, transcription, integration, distribution, and phylogenetic analysis. Appl. Environ. Microbiol. 71, 8692–8705 https://doi.org/10.1128/AEM.71.12.8692-8705.2005
47. Ventura, M., Sozzi, T., Turroni, F., Matteuzzi, D. and van Sinderen, D. (2011) The impact of bacteriophages on probiotic bacteria and gut microbiota diversity. Genes Nutr. 6, 205–207 https://doi.org/10.1007/s12263-010-0188-4
48. Ventura, M., Turroni, F., Foroni, E., Duranti, S., Giubellini, V., Bottacini, F. et al. (2010) Analyses of bifidobacterial prophage-like sequences. Antonievan Leeuwenhoek 98, 39–50 https://doi.org/10.1007/s10482-010-9426-4
49. Lugli, G.A., Milani, C., Turroni, F., Tremblay, D., Ferrario, C., Mancabelli, L. et al. (2016) Prophages of the genus Bifidobacterium as modulating agents of the infant gut microbiota. Environ. Microbiol. 18, 2196–2213 https://doi.org/10.1111/1462-2920.13154
50. Milani, C., Lugli, G.A., Duranti, S., Turroni, F., Bottacini, F., Mangifesta, M. et al. (2014) Genomic encyclopedia of type strains of the genus Bifidobacterium. Appl. Environ. Microbiol. 80, 6290–6302 https://doi.org/10.1128/AEM.02308-14
51. Canchaya, C., Proux, C., Fournous, G., Bruttin, A. and Brussow, H. (2003) Prophage genomics. Microbiol.Mol.Biol.Rev.67, 238–276, https://doi.org/10.1128/MMBR.67.2.238-276.2003
52. Briner, A.E., Lugli, G.A., Milani, C., Duranti, S., Turroni, F., Gueimonde, M. et al. (2015) Occurrence and diversity of CRISPR-Cas systems in the genus Bifidobacterium. PLoSONE10, e0133661 https://doi.org/10.1371/journal.pone.0133661
53. Foroni, E., Serafini, F., Amidani, D., Turroni, F., He, F., Bottacini, F. et al. (2011) Genetic analysis and morphological identification of pilus-like structures in members of the genus Bifidobacterium. Microb. Cell Fact. 10 (Suppl 1), S16 https://doi.org/10.1186/1475-2859-10-S1-S16
54. Filloux, A. (2010) A variety of bacterial pili involved in horizontal gene transfer. J. Bacteriol. 192, 3243–3245 https://doi.org/10.1128/JB.00424-10
55. Turroni, F., Serafini, F., Foroni, E., Duranti, S., O’Connell Motherway, M., Taverniti, V. et al. (2013) Role of sortase-dependent pili of Bifidobacterium bifidum PRL2010 in modulating bacterium-host interactions. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 11151–11156 https://doi.org/10.1073/pnas. 1303897110
56. Ventura, M., Turroni, F., Zomer, A., Foroni, E., Giubellini, V., Bottacini, F. et al. (2009) The Bifidobacterium dentium Bd1 genome sequence reflects its genetic adaptation to the human oral cavity. PLoS Genet. 5, e1000785 https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1000785
57. Kline, K.A., Dodson, K.W., Caparon, M.G. and Hultgren, S.J. (2010) A tale of two pili: assembly and function of pili in bacteria. TrendsMicrobiol.18, 224–232 https://doi.org/10.1016/j.tim.2010.03.002
58. Mandlik, A., Das, A. and Ton-That, H. (2008) The molecular switch that activates the cell wall anchoring step of pilus assembly in gram-positive bacteria. Proc. Natl Acad. Sci. U.S.A. 105, 14147–14152 https://doi.org/10.1073/pnas.0806350105
59. Turroni, F., Serafini, F., Mangifesta, M., Arioli, S., Mora, D., van Sinderen, D. et al. (2014) Expression of sortase-dependent pili of Bifidobacterium bifidum PRL2010 in response to environmental gut conditions. FEMS Microbiol. Lett. 357, 23–33 https://doi.org/10.1111/1574-6968.12509
60. O’Connell Motherway, M., Zomer, A., Leahy, S.C., Reunanen, J., Bottacini, F., Claesson, M.J. et al. (2011) Functional genome analysis of Bifidobacterium breve UCC2003 reveals type IVb tight adherence (Tad) pili as an essential and conserved host-colonization factor. Proc.Natl Acad. Sci. U.S.A. 108, 11217–11222 https://doi.org/10.1073/pnas.1105380108
61. Tomich, M., Planet, P.J. and Figurski, D.H. (2007) The tad locus: postcards from the widespread colonization island. Nat.Rev.Microbiol.5, 363–375 PMID: 17435791
62. Ruiz, L., Coute, Y., Sanchez, B., de los Reyes-Gavilan, C.G., Sanchez, J.-C. and Margolles, A. (2009) The cell-envelope proteome of Bifidobacterium longum in an in vitro bile environment. Microbiology 155, 957–967 https://doi.org/10.1099/mic.0.024273-0
63. Westermann, C., Gleinser, M., Corr, S.C. and Riedel, C.U. (2016) A critical evaluation of bifidobacterial adhesion to the host tissue. Front. Microbiol.7, 1220 https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.01220
64. Salazar, N., Prieto, A., Leal, J.A., Mayo, B., Bada-Gancedo, J.C., de los Reyes-Gavilán, C.G. et al. (2009) Production of exopolysaccharides by Lactobacillus and Bifidobacterium strains of human origin, and metabolic activity of the producing bacteria in milk. J.DairySci.92, 4158–4168 https://doi.org/10.3168/jds.2009-2126
65. Welman, A.D. and Maddox, I.S. (2003) Exopolysaccharides from lactic acid bacteria: perspectives and challenges. TrendsBiotechnol.21, 269–274 https://doi.org/10.1016/S0167-7799(03)00107-0
66. Hidalgo-Cantabrana, C., Sanchez, B., Milani, C., Ventura, M., Margolles, A. and Ruas-Madiedo, P. (2014) Genomic overview and biological functions of exopolysaccharide biosynthesis in Bifidobacterium spp. Appl. Environ. Microbiol. 80, 9–18 https://doi.org/10.1128/AEM.02977-13
67. Ruiz, L., Bottacini, F., Boinett, C.J., Cain, A.K., OConnell-Motherway M., Lawley, T.D. et al. (2017) The essential genomic landscape of the commensal Bifidobacterium breve UCC2003. Nat.Sci.Rep.7, 5648 https://doi.10.1038/s41598-017-05795-y
68. Fanning, S., Hall, L.J., Cronin, M., Zomer, A., MacSharry, J., Goulding, D. et al. (2012) Bifidobacterial surface-exopolysaccharide facilitates commensal-host interaction through immune modulation and pathogen protection. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 2108–2113 https://doi.org/10.1073/pnas.1115621109
69. Audy, J., Labrie, S., Roy, D. and LaPointe, G. (2010) Sugar source modulates exopolysaccharide biosynthesis in Bifidobacterium longum subsp. longum CRC 002. Microbiology 156, 653–664 https://doi.org/10.1099/mic.0.033720-0
70. Ferrario, C., Milani, C., Mancabelli, L., Lugli, G.A., Duranti, S., Mangifesta, M. et al. (2016) Modulation of the eps-ome transcription of bifidobacteria through simulation of human intestinal environment. FEMS Microbiol. Ecol. 92, fiw056 https://doi.org/10.1093/femsec/fiw056
71. Fanning, S., Hall, L.J. and van Sinderen, D. (2012) Bifidobacterium breve UCC2003 surface exopolysaccharide production is a beneficial trait mediating commensal-host interaction through immune modulation and pathogen protection. Gut. Microbes 3, 420–425 https://doi.org/10.4161/gmic.20630
72. López, P., Monteserín, D.C., Gueimonde, M., de los Reyes-Gavilán, C.G, Margolles, A., Suárez, A.et al. (2012) Exopolysaccharide-producing Bifidobacterium strains elicit different in vitro responses upon interaction with human cells. Food Res. Int. 46, 99–107 https://doi.org/10.1016/j.foodres.2011.11.020
73. Schiavi, E., Gleinser, M., Molloy, E., Groeger, D., Frei, R., Ferstl, R. et al. (2016) The surface-associated exopolysaccharide of Bifidobacterium longum 35624 plays an essential role in dampening host proinflammatory responses and repressing local T_H17 responses. Appl. Environ. Microbiol. 82, 7185–7196 https://doi.org/10.1128/AEM.02238-16
74. Hidalgo-Cantabrana, C., Lopez, P., Gueimonde, M., de Los Reyes-Gavilan, C.G., Suarez, A., Margolles, A. et al. (2012) Immune modulation capability of exopolysaccharides synthesised by lactic acid bacteria and bifidobacteria. Probiotics Antimicrob. Proteins 4, 227–237 https://doi.org/10.1007/s12602-012-9110-2
75. Leivers, S., Hidalgo-Cantabrana, C., Robinson, G., Margolles, A., Ruas-Madiedo, P. and Laws, A.P. (2011) Structure of the high molecular weight exopolysaccharide produced by Bifidobacterium animalis subsp. lactisIPLA-R1 and sequence analysis of its putative eps cluster. Carbohydr.Res.346, 2710–2717 https://doi.org/10.1016/j.carres.2011.09.010
76. Altmann, F., Kosma, P., O’Callaghan, A., Leahy, S., Bottacini, F., Molloy, E. et al. (2016) Genome analysis and characterisation of the exopolysaccharide produced by Bifidobacterium longum subsp. longum 35624™. PLoS ONE 11, e0162983 https://doi.org/10.1371/journal.pone.0162983
77. Inturri, R., Molinaro, A., Di Lorenzo, F., Blandino, G., Tomasello, B., Hidalgo-Cantabrana, C. et al. (2017) Chemical and biological properties of the novel exopolysaccharide produced by a probiotic strain of Bifidobacterium longum. Carbohydr. Polym. 174, 1172–1180 https://doi.org/10.1016/j.carbpol. 2017.07.039
78. Pokusaeva, K., Fitzgerald, G.F. and van Sinderen, D. (2011) Carbohydrate metabolism in Bifidobacteria. GenesNutr.6, 285–306 https://doi.org/10.1007/s12263-010-0206-6
79. De Vries, W., Gerbrandy, S.J. and Stouthamer, A.H. (1967) Carbohydrate metabolism in Bifidobacterium bifidum. Biochim.Biophys.Acta,Gen.Subj. 136, 415–425 https://doi.org/10.1016/0304-4165(67)90001-3
80. O’Connell Motherway, M., Fitzgerald, G.F. and van Sinderen, D. (2011) Metabolism of a plant derived galactose-containing polysaccharide by Bifidobacterium breve UCC2003. Microb.Biotechnol.4, 403–416 https://doi.org/10.1111/j.1751-7915.2010.00218.x
81. James, K., Motherway, M.O., Bottacini, F. and van Sinderen, D. (2016) Bifidobacterium breve UCC2003 metabolises the human milk oligosaccharides lacto-N-tetraose and lacto-N-neo-tetraose through overlapping, yet distinct pathways. Sci. Rep. 6, 38560 https://doi.org/10.1038/srep38560
82. O’Connell, K.J., O’Connell Motherway, M., O’Callaghan, J., Fitzgerald, G.F., Ross, R.P., Ventura, M. et al. (2013) Metabolism of four α-glycosidic linkage-containing oligosaccharides by Bifidobacterium breve UCC2003. Appl. Environ. Microbiol. 79, 6280–6292 https://doi.org/10.1128/AEM.01775-13
83. Youn, S.Y., Park, M.S. and Ji, G.E. (2012) Identification of the β-glucosidase gene from Bifidobacterium animalis subsp. lactis and its expression in B. bifidum BGN4. J. Microbiol. Biotechnol. 22, 1714–1723 https://doi.org/10.4014/jmb.1208.08028
84. Ryan, S.M., Fitzgerald, G.F. and van Sinderen, D. (2005) Transcriptional regulation and characterization of a novel β-fructofuranosidase-encoding gene from Bifidobacterium breve UCC2003. Appl. Environ. Microbiol. 71, 3475–3482 https://doi.org/10.1128/AEM.71.7.3475-3482.2005
85. Bode, L., Kuhn, L., Kim, H.-Y., Hsiao, L., Nissan, C., Sinkala, M. et al. (2012) Human milk oligosaccharide concentration and risk of postnatal transmission of HIV through breastfeeding. Am. J. Clin. Nutr. 96, 831–839 https://doi.org/10.3945/ajcn.112.039503
86. Coppa, G.V., Bruni, S., Morelli, L., Soldi, S. and Gabrielli, O. (2004) The first prebiotics in humans: human milk oligosaccharides. J.Clin.Gastroenterol. 38, S80–S83 https://doi.org/10.1097/01.mcg.0000128926.14285.25
87. Musilova, S., Rada, V., Vlkova, E. and Bunesova, V. (2014) Beneficial effects of human milk oligosaccharides on gut microbiota. Benef.Microbes5, 273–283 https://doi.org/10.3920/BM2013.0080
88. Sela, D.A. (2011) Bifidobacterial utilization of human milk oligosaccharides. Int. J. Food Microbiol. 149, 58–64 https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro. 2011.01.025
89. Turroni, F., Bottacini, F., Foroni, E., Mulder, I., Kim, J.-H., Zomer, A. et al. (2010) Genome analysis of Bifidobacterium bifidum PRL2010 reveals metabolic pathways for host-derived glycan foraging. Proc. Natl Acad. Sci. U.S.A. 107, 19514–19519 https://doi.org/10.1073/pnas.1011100107
90. Sakurama, H., Kiyohara, M., Wada, J., Honda, Y., Yamaguchi, M., Fukiya, S. et al. (2013) Lacto-N-biosidase encoded by a novel gene of Bifidobacterium longum subspecies longum shows unique substrate specificity and requires a designated chaperone for its active expression. J.Biol. Chem. 288, 25194–25206 https://doi.org/10.1074/jbc.M113.484733
91. Garrido, D., Ruiz-Moyano, S., Kirmiz, N., Davis, J.C., Totten, S.M., Lemay, D.G. et al. (2016) A novel gene cluster allows preferential utilization of fucosylated milk oligosaccharides in Bifidobacterium longum subsp. longum SC596. Sci. Rep. 6, 35045 https://doi.org/10.1038/srep35045
92. Bunesova, V., Lacroix, C. and Schwab, C. (2016) Fucosyllactose and L-fucose utilization of infant Bifidobacterium longum and Bifidobacterium kashiwanohense. BMC Microbiol. 16, 248 https://doi.org/10.1186/s12866-016-0867-4
93. Matsuki, T., Yahagi, K., Mori, H., Matsumoto, H., Hara, T., Tajima, S. et al. (2016) A key genetic factor for fucosyllactose utilization affects infant gut microbiota development. Nat. Commun. 7, 11939 https://doi.org/10.1038/ncomms11939
94. Brockhausen, I., Schachter, H. and Stanley, P. (2009) O-GalNAc glycans. In Essentials of Glycobiology (Varki, A., Cummings, R.D., Esko, J.D., Freeze, H. H., Stanley, P., Bertozzi, C.R., Hart, G.W. and Etzler, M.E., eds.), Cold Spring Harbor, NY
95. Egan, M., O’Connell Motherway, M., Kilcoyne, M., Kane, M., Joshi, L., Ventura, M. et al. (2014) Cross-feeding by Bifidobacterium breve UCC2003 during co-cultivation with Bifidobacterium bifidum PRL2010 in a mucin-based medium. BMC Microbiol. 14, 282 https://doi.org/10.1186/s12866-014-0282-7
96. Fukiya, S., Hirayama, Y., Sakanaka, M., Kano, Y. and Yokota, A. (2012) Technological advances in bifidobacterial molecular genetics: application to functional genomics and medical treatments. Biosci. Microbiota Food Health. 31, 15–25 https://doi.org/10.12938/bmfh.31.15
97. Ruiz, L., Motherway, M.O., Lanigan, N. and van Sinderen, D. (2013) Transposon mutagenesis in Bifidobacterium breve: construction and characterization of a Tn5 transposon mutant library for Bifidobacterium breve UCC2003. PLoS ONE 8, e64699 https://doi.org/10.1371/journal.pone.0064699
98. Maldonado-Gómez, M.X., Martinez, I., Bottacini, F., O’Callaghan, A., Ventura, M., van Sinderen, D. et al. (2016) Stable engraftment of Bifidobacterium longum AH1206 in the human gut depends on individualized features of the resident microbiome. CellHostMicrobe20, 515–526 https://doi.org/10.1016/j.chom.2016.09.001
99. Rodriguez, J.M., Murphy, K., Stanton, C., Ross, R.P., Kober, O.I., Juge, N. et al. (2015) The composition of the gut microbiota throughout life, with an emphasis on early life. Microb. Ecol. Health Dis. 26, 26050 PMID: 25651996
100. Charbonneau, M.R., O’Donnell, D., Blanton, L.V., Totten, S.M., Davis, J.C.C., Barratt, M.J. et al. (2016) Sialylated milk oligosaccharides promote microbiota-dependent growth in models of infant undernutrition. Cell 164, 859–871 https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.01.024