Журналов:     Статей:        

Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2021; 98: 276-282

Механизм персистенции индигенных бифидобактерий под действием ацетата в кишечном биотопе человека

Бухарин О. В., Андрющенко С. В., Перунова Н. Б., Иванова Е. В.

https://doi.org/10.36233/0372-9311-86

Аннотация

Цель исследования — определить роль ацетата в персистенции индигенных бифидобактерий в кишечном биотопе через лизоцимрезистентность в модельных условиях ацетилирования–деацетилирования пептидогликана.

Материалы и методы. Исследовано по 16 штаммов двух видов индигенных бифидобактерий: Bifidobacterium bifidum и Bifidobacterium longum subsp. longum. Бифидобактерии культивировали в СO2-инкубаторе при cодержании O2 0,6%, CO2 9% и температуре 37ºС в течение 48 ч. Продукцию уксусной кислоты (ацетата) бифидобактериями выявляли методом газовой хроматографии. Влияние ацетата на устойчивость неиндигенных грамположительных бактерий к лизоциму определяли на модели штамма Listeria monoytogenes ICIS-280 путём культивирования в бульоне LB-Lennox с добавлением ацетата аммония в диапазоне концентраций, продуцируемых исследуемыми бифидобактериями, в серии разведений лизоцима в конечных концентрациях от 5 до 40 мкг/мл в течение 24 ч.

Результаты. Установлено, что у Bifidobacterium longum subsp. longum выделение ацетата в среднем было в 2 раза выше, чем у Bifidobacterium bifidum (14,7 и 27 ммоль/л соответственно), и вполне соответствовало концентрациям уксусной кислоты, определённым в кишечном содержимом (до 50 ммоль/л). Культивирование бифидобактерий в среде с лизоцимом, ацетатом аммония и их сочетанием не оказало существенного влияния на их показатели роста при максимальных использованных концентрациях данных веществ. У тест-штамма добавление ацетата аммония в диапазоне, создаваемом бифидобактериями, вызывало снижение минимальной подавляющей концентрации лизоцима более чем в 2 раза — от 40 до менее 20 мкг/мл. В контрольной среде без лизоцима не отмечено ингибирования роста индикаторной культуры вплоть до максимальных концентраций ацетата аммония.

Заключение. Выявлен механизм персистенции (выживания) индигенных бифидобактерий в кишечном биотопе человека путём продукции ацетата, избирательно подавляющего лизоцимрезистентность неиндигенных грамположительных бактерий, за счёт обратимости деацетилирования пептидогликана, что позволяет индигенным бифидобактериям сохранять стабильное доминантное положение в биотопе.

Список литературы

1. Ventura M., Turroni F., Lugli G.A., van Sinderen D. Bifidobacteria and humans: our special friends, from ecological to genomics perspectives. J. Sci. Food Agric. 2014; 94(2): 163–8. https://doi.org/10.1002/jsfa.6356

2. Бухарин О.В., Перунова Н.Б, Иванова Е.В. Бифидофлора при ассоциативном симбиозе человека. Екатеринбург; 2014.

3. Rios-Covian D., Cuesta I., Alvarez-Buylla J.R., Ruas-Madiedo P., Gueimonde M., de Los Reyes-Gavilán C.G. Bacteroides fragilis metabolises exopolysaccharides produced by bifidobacteria. BMC Microbiol. 2016; 16(1): 150. https://doi.org/10.1186/s12866-016-0773-9

4. Fukuda S., Toh H., Taylor T.D., Ohno H., Hattori M. Acetateproducing bifidobacteria protect the host from enteropathogenic infection via carbohydrate transporters. Gut Microbes. 2012; 3(5): 449–54. https://doi.org/10.4161/gmic.21214.

5. Vollmer W., Blanot D., de Pedro M.A. Peptidoglycan structure and architecture. FEMS Microbiol. Rev. 2008; 32(2): 149–67. https://doi.org/10.1111/j.1574-6976.2007.00094.x

6. Андрющенко С.В., Перунова Н.Б., Бухарин О.В. Молекулярные механизмы взаимодействия бактерий с лизоцимом и их роль в микросимбиоценозе. Успехи современной биологии. 2015; 135(5): 453–63.

7. Pfeffer J.M., Strating H., Weadge J.T., Clarke A.J. Peptidoglycan O acetylation and autolysin profile of Enterococcus faecalis in the viable but nonculturable state. J. Bacteriol. 2006; 188(3):902–8. https://doi.org/10.1128/jb.188.3.902-908.2006

8. Sakurai T., Hashikura N., Minami J., Yamada A., Odamaki T., Xiao J.Z. Tolerance mechanisms of human-residential bifidobacteria against lysozyme. Anaerobe. 2017; 47: 104–10. https://doi.org/10.1016/j.anaerobe.2017.05.001

9. Ho T.D., Williams K.B., Chen Y., Helm R.F., Popham D.L., Ellermeier C.D. Clostridium difficile extracytoplasmic function σ factor σV regulates lysozyme resistance and is necessary for pathogenesis in the hamster model of infection. Infect. Immun. 2014; 82(6): 2345–55. https://doi.org/10.1128/IAI.01483-13.

10. Rae C.S., Geissler A., Adamson P.C., Portnoy D.A. Mutations of the Listeria monocytogenes peptidoglycan N-deacetylase and O-acetylase result in enhanced lysozyme sensitivity, bacteriolysis, and hyperinduction of innate immune pathways. Infect. Immun. 2011; 79(9): 3596–606. https://doi.org/10.1128/iai.00077-11

11. Aragunde H., Biarnés X., Planas A. Substrate recognition and specificity of chitin deacetylases and related family 4 carbohydrate esterases. Int. J. Mol. Sci. 2018; 19(2): 412. https://doi.org/10.3390/ijms19020412.

12. Ашмарин И.П., Воробьев А.А. Статистические методы в микробиологических исследованиях. Ленинград: Медгиз; 1962.

13. Sze M.A., Topçuoğlu B.D., Lesniak N.A., Ruffin M.T. 4th, Schloss P.D. Fecal short-chain fatty acids are not predictive of colonic tumor status and cannot be predicted based on bacterial community structure. mBio. 2019; 10(4): e01454-19.

14. Андрющенко С.В., Иванова Е.В., Перунова Н.Б., Бухарин О.В., Бекпергенова А.В. Генетическая характеристика адаптивного потенциала бифидобактерий биотопа дистального отдела кишечника человека. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2018; 95(4): 4–11. https://doi.org/10.36233/0372-9311-2018-4-4-11

15. Davis KM, Weiser JN. Modifications to the peptidoglycan backbone help bacteria to establish infection. Infect. Immun. 2011; 79(2): 562–70. https://doi.org/10.1128/IAI.00651-10.

Journal of microbiology, epidemiology and immunobiology. 2021; 98: 276-282

Mechanism of persistence of indigenous bifidobacteria under the impact of acetate in the human colon biotope

Bukharin O. V., Andryuschenko S. V., Perunova N. B., Ivanova E. V.

https://doi.org/10.36233/0372-9311-86

Abstract

Aim. To determine the role of the acetate in the persistence of indigenous bifidobacteria in the colon biotope through the lysozyme resistance in model conditions of the acetylation–deacetylation of peptidoglycan.

Materials and methods. The study was performed on 16 strains of the two indigenous bifidobacteria speсies: Bifidobacterium bifidum и Bifidobacterium longum subsp. longum. Bifidobacteria was cultivated in the 0.6% O2 and 9% CO2 atmosphere at the temperature 37ºС in CO2 incubator for 48 hours. The production of the acetate by the bifidobacteria was determined by gas chromatography. The effect of the acetate on the lysozyme resistance of non-indigenous gram-positive bacteria was determined on the Listeria monocytogenes ICIS-280 model strain by the cultivation in LB-Lennox broth with ammonium acetate added in the concentration range matching the concentrations produced by the studied bifidobacteria, in lysozyme serial dilutions at final concentrations 5 μg/ml to 40 μg/ml within 24 hours.

Results. It was found that the acetate release of Bifidobacterium longum subsp. longum was on average two times higher that of Bifidobacterium bifidum (27.0 and 14.7 mmol/liter, respectively) and was quite consistent with the concentrations of acetic acid determined in the intestinal contents (up to 50 mmol/liter). Cultivation of bifidobacteria in a medium with lysozyme, ammonium acetate and their combination did not have a significant impact on their growth parameters at the maximum used concentrations of these substances. In the test strain, the addition of ammonium acetate in the range created by bifidobacteria caused a decrease in the minimum inhibitory concentration of lysozyme by more than two times — from 40 μg/ml to less than 20 μg/ml. In the control medium without lysozyme, no inhibition of the growth of the indicator culture was observed up to the maximum concentrations of ammonium acetate.

Conclusion. The mechanism of persistence (survival) of indigenous bifidobacteria in the human intestinal biotope has been identified, which is associated with the production of acetic acid at a level that selectively suppresses lysozyme resistance of non-indigenous gram-positive microbiota viareversible deacetylation of peptidoglycan. This allows indigenous bifidobacteria to maintain a stable dominant position in the biotope.

References

1. Ventura M., Turroni F., Lugli G.A., van Sinderen D. Bifidobacteria and humans: our special friends, from ecological to genomics perspectives. J. Sci. Food Agric. 2014; 94(2): 163–8. https://doi.org/10.1002/jsfa.6356

2. Bukharin O.V., Perunova N.B, Ivanova E.V. Bifidoflora pri assotsiativnom simbioze cheloveka. Ekaterinburg; 2014.

3. Rios-Covian D., Cuesta I., Alvarez-Buylla J.R., Ruas-Madiedo P., Gueimonde M., de Los Reyes-Gavilán C.G. Bacteroides fragilis metabolises exopolysaccharides produced by bifidobacteria. BMC Microbiol. 2016; 16(1): 150. https://doi.org/10.1186/s12866-016-0773-9

4. Fukuda S., Toh H., Taylor T.D., Ohno H., Hattori M. Acetateproducing bifidobacteria protect the host from enteropathogenic infection via carbohydrate transporters. Gut Microbes. 2012; 3(5): 449–54. https://doi.org/10.4161/gmic.21214.

5. Vollmer W., Blanot D., de Pedro M.A. Peptidoglycan structure and architecture. FEMS Microbiol. Rev. 2008; 32(2): 149–67. https://doi.org/10.1111/j.1574-6976.2007.00094.x

6. Andryushchenko S.V., Perunova N.B., Bukharin O.V. Molekulyarnye mekhanizmy vzaimodeistviya bakterii s lizotsimom i ikh rol' v mikrosimbiotsenoze. Uspekhi sovremennoi biologii. 2015; 135(5): 453–63.

7. Pfeffer J.M., Strating H., Weadge J.T., Clarke A.J. Peptidoglycan O acetylation and autolysin profile of Enterococcus faecalis in the viable but nonculturable state. J. Bacteriol. 2006; 188(3):902–8. https://doi.org/10.1128/jb.188.3.902-908.2006

8. Sakurai T., Hashikura N., Minami J., Yamada A., Odamaki T., Xiao J.Z. Tolerance mechanisms of human-residential bifidobacteria against lysozyme. Anaerobe. 2017; 47: 104–10. https://doi.org/10.1016/j.anaerobe.2017.05.001

9. Ho T.D., Williams K.B., Chen Y., Helm R.F., Popham D.L., Ellermeier C.D. Clostridium difficile extracytoplasmic function σ factor σV regulates lysozyme resistance and is necessary for pathogenesis in the hamster model of infection. Infect. Immun. 2014; 82(6): 2345–55. https://doi.org/10.1128/IAI.01483-13.

10. Rae C.S., Geissler A., Adamson P.C., Portnoy D.A. Mutations of the Listeria monocytogenes peptidoglycan N-deacetylase and O-acetylase result in enhanced lysozyme sensitivity, bacteriolysis, and hyperinduction of innate immune pathways. Infect. Immun. 2011; 79(9): 3596–606. https://doi.org/10.1128/iai.00077-11

11. Aragunde H., Biarnés X., Planas A. Substrate recognition and specificity of chitin deacetylases and related family 4 carbohydrate esterases. Int. J. Mol. Sci. 2018; 19(2): 412. https://doi.org/10.3390/ijms19020412.

12. Ashmarin I.P., Vorob'ev A.A. Statisticheskie metody v mikrobiologicheskikh issledovaniyakh. Leningrad: Medgiz; 1962.

13. Sze M.A., Topçuoğlu B.D., Lesniak N.A., Ruffin M.T. 4th, Schloss P.D. Fecal short-chain fatty acids are not predictive of colonic tumor status and cannot be predicted based on bacterial community structure. mBio. 2019; 10(4): e01454-19.

14. Andryushchenko S.V., Ivanova E.V., Perunova N.B., Bukharin O.V., Bekpergenova A.V. Geneticheskaya kharakteristika adaptivnogo potentsiala bifidobakterii biotopa distal'nogo otdela kishechnika cheloveka. Zhurnal mikrobiologii, epidemiologii i immunobiologii. 2018; 95(4): 4–11. https://doi.org/10.36233/0372-9311-2018-4-4-11

15. Davis KM, Weiser JN. Modifications to the peptidoglycan backbone help bacteria to establish infection. Infect. Immun. 2011; 79(2): 562–70. https://doi.org/10.1128/IAI.00651-10.