Фундаментальные и прикладные аспекты исследования экзополисахаридов бифидобактерий

Продукция экзополисахаридов (ЭПС) является широко распространенным фенотипическим признаком у многих комменсальных и патогенных микроорганизмов. Активное изучение ЭПС у бифидобактерий связано с обнаружением кластера генов eps. ЭПС у микроорганизмов рода Bifdobacterium являются гетерополисахаридами. У большинства бифидобактерий они состоят из трех моносахаридов: D-глюкозы, D-галактозы и L-рамнозы. У B. animalis subsp. lactis присутствует манноза, у B. adolescentis и B. longum subsp. longum обнаружена 6-дезокситеалоза. Число повторяющихся единиц в полимерах является штаммовой характеристикой. Предшественниками мономеров являются глюкоза-1-фосфат и фруктоза-6-фосфат, синтез осуществляется через промежуточную стадию образования нуклеотид-сахаров. В полимеризации и секреции полимеров у бифидобактерий участвуют две системы − это ABC-транспортеры и флиппаза-полимеразный комплекс (Wzx/ Wzy-зависимый путь). ЭПС выполняют многочисленные функции. Они защищают бифидобактерии от агрессивных секретов желудочно-кишечного тракта, токсических форм кислорода, обеспечивают бактериально-бактериальные взаимодействия, выполняют роль рецепторов для адсорбции фагов. ЭПС используются другими членами кишечной микробиоты в качестве субстратов для питания, т.е. бифидобактерии регулируют состав и метаболическую активность кишечных микроорганизмов. ЭПС-продуцирующие штаммы проявляют выраженный антибактериальный эффект за счет связывания условно-патогенных и патогенных бактерий. ЭПС могут выступать в качестве микроб-ассоциированных молекулярных паттернов во взаимодействии с клетками макроорганизма. Поэтому в экологической и медицинской микробиологии актуальными являются исследования структурно– функциональных особенностей ЭПС как фактора взаимодействия бифидобактерий с макроорганизмом и с другими микросимбионтами в многокомпонентном кишечном сообществе. Многочисленные функции ЭПС предопределили возможность использования данных полимеров бифидобактерий в качестве пребиотиков или в составе симбиотиков. Основным ограничением является низкий выход целевого продукта при культивировании ЭПС-продуцирующих штаммов. Поэтому перспективны исследования, направленные на поиск новых штаммов-продуцентов ЭПС среди бифидобактерий и создание благоприятных технологических условий, способствующих продукции этих полимеров.

1. Moscovici M. Present and future medical applications of microbial exopolysaccharides. Front Microbiol. 2015;6:1012. https://doi.org/10.3389/fmicb.2015.01012

2. Carmen Ale E, Bourin MJB, Peralta GH, Burns PG, Ávila OB, Contini L, Reinheimer J, Binetti AG. Functional properties of exopolysaccharide (EPS) extract from Lactobacillus fermentum Lf2 and its impact when combined with Bifdobacterium animalis INL1 in yoghurt. Internl Dairy J. 2019;96:114-125. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2019.04.014

3. Rajoka MSR, Wu Yu, Mehwish HM, Bansal M, Zhao L. Lactobacillus exopolysaccharides: new perspectives on engineering strategies, physiochemical functions, and immunomodulatory effects on host health. Trends in Food Science and Technology. 2020;103:36-48. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2020.06.003

4. Zhu Yu, Zhou JM, Liu W, Pi X, Zhou Q, Li P, Zhou T, Gua Q. Effects of exopolysaccharide from Lactobacillus rhamnosus on human gut microbiota in in vitro fermentation model. LWT - Food Science and Technology. 2020;5:1105-1124. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2020.110524

5. Parkar D, Jadhav R, Pimpliskar M. Marine bacterial extracellular polysaccharides: A review. Journal of Coastal Life Medicine. 2017;5(1):29-35. https://doi.org/10.12980/jclm.5.2017J6-207

6. Cuthbertson L, Mainprize IL, Naismith JH, Whitfeld C. Pivotal roles of the outer membrane polysaccharide export and polysaccharide copolymerase protein families in export of extracellular polysaccharides in Gram-negative bacteria. Microbiol Mol Biol Rev. 2009;73(1):155-177. https://doi.org/10.1128/MMBR.00024-08

7. Tanca A, Abbondio M, Palomba A, Fraumene C, Manghina V, Cucca F, Fiorillo E, Uzzau S. Potential and active functions in the gut microbiota of a healthy human cohort. Microbiome. 2017;5(1):79-94. https://doi.org/10.1186/s40168-017-0293-3

8. Tabasco R, de Palencia PF, Fontecha J, Peláez C, Requena T. Competition mechanisms of lactic acid bacteria and bifdobacteria: fermentative metabolism and colonization. LWT-Food Science and Technology. 2014;55(2):680-684. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2013.10.004

9. Altman F, Kosma P, O’Callaghan A, Leahy S, Bottacini F, Molloy E, Plattner S, Schiavi E, Gleinser M, Groeger D, Grant R, Rodriguez-Perez N, Healy S, Svehla E, Windwarder M, Hofnger A, O’Connell Motherway M, Akdis CA, Xu J, Roper J, van Sinderen D, O’Mahony L. Genome analysis and characterisation of the exopolysaccharide produced by Bifdobacterium longum subsp. longum 35624™. PLoS One. 2016;11(9):e0162983. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0162983

10. Ferrario C, Milani C, Mancabelli L, Luigli GA, Duranti S, Mangifesta M, Viappiani A, Turroni F, Margolles A, RuasMadiedo P, van Sinderen D, Ventura M. Modulation of the eps-ome transcription of bifdobacteria through simulation of human intestinal environment. FEMS Microbiol Ecol. 2016;92(4):fw056. https://doi.org/10.1093/femsec/fw056

11. Shang N, Xu R, Li P. Structure characterization of an exopolysaccharide produced by Bifdobacterium animalis RH. Carbohydr Polym. 2013;91(1):128-134. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2012.08.012

12. Hidalgo-Cantabrana C, Sanchez B, Milani Ch, Ventura M, Margolles A, Ruas-Madiedo P. Genomic overview and biological functions of exopolysaccharide biosynthesis in Bifdobacterium spp. Appl Enviro Microbiol. 2014:80(1):9-18. http://dx.doi.org/10.1128/AEM.02977-13

13. Ruas-Madiedo P, de los Reyes-Gavilán CG. Methods for the screening, isolation, and characterization of exopolysaccharides produced by lactic acid bacteria. J Dairy Sci. 2005;88(3):843- 856. http://dx.doi.org/10.3168/jds.S0022-0302(05)72750-8

14. Ruas-Madiedo P, Gueimonde M, Arigoni F, De Los ReyesGavilán CG, Margolles A. Bile affects the synthesis of exopolysaccharides by Bifdobacterium animalis. Appl Environ Microbiol. 2009;75(4):1204-1207. http://dx.doi.org/10.1128/AEM.00908-08

15. Leivers Sh, Hidalgo-Cantabrana C, Robinson G, Margolles A, Ruas-Madiedo P, Laws A.P. Structure of the high molecular weight exopolysaccharide produced by Bifdobacterium animalis subsp. lactis IPLA-R1 and sequence analysis of its putative eps cluster. Carbohydr Res. 2011;346(17):2710-2717. https://doi.org/10.1016/j.carres.2011.09.010

16. Boels IC, Kranenburg R V, Hugenholtz J, Kleerebezem M, De Vos WM. Sugar catabolism and its impact on the biosynthesis and engineering of exopolysaccharide production in lactic acid bacteria. Int Dairy J. 2001;11(9):723-732.

17. Inturri R, Molinaro A, Di Lorenzo F, Blandino G, Tomasello B, Hidalgo-Cantabrana C, De Castro C, Ruas-Madiedo P. Chemical and biological properties of the novel exopolysaccharide produced by a probiotic strain of Bifdobacterium longum. Carbohydr Polym. 2017;174:1172-1180. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.07.039

18. Feriala AA, Abo Saif A, Ebtehag EA Sakr Characterization and bioactivities of exopolysaccharide produced from probiotic Lactobacillus plantarum 47FE and Lactobacillus pentosus 68FE. Bioactive Carbohydrates and Dietary Fibre. 2020;24:1002- 10031. https://doi.org/10.1016/j.bcdf.2020.100231

19. Liu Zh, Zhang Zh, Qiu L, Zhang F, Xu X, Wei H, Tao X. Characterization and bioactivities of the exopolysaccharide from a probiotic strain of Lactobacillus plantarum WLPL04. J Dairy Sci. 2017;100(9):6895-6905. https://doi.org/10.3168/jds.2016-11944

20. Adebayo-Tayo B, Fashogbon R. In vitro antioxidant, antibacterial, in vivo immunomodulatory, antitumor and hematological potential of exopolysaccharide produced by wild type and mutant Lactobacillus delbureckii subsp. bulgaricus. Heliyon. 2020;6(2):3268-3278. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e03268

21. Yang X, Hang X, Tan J, Yang H. Differences in acid tolerance between Bifdobacterium breve BB8 and its acid-resistant derivative B. breve BB8dpH, revealed by RNA-sequencing and physiological analysis. Anaerobe. 2015;33:76-84. https://doi.org/10.1016/j.anaerobe.2015.02.005

22. Zhu D, Sun Yu, Huo G-Ch, Yang L, Liu F, Li A, Meng X-Ch. Complete genome sequence of Bifdobacterium animalis subsp. lactis KLDS 2.0603, a probiotic strain with digestive tract resistance and adhesion to the intestinal epithelial cells. J Biotechnol. 2016;220:49-50. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2016.01.013

23. Pyclik M, Srutkova D, Schwarzer M, Górska S. Bifdobacteria cell wall-derived exopolysaccharides, lipoteichoic acids, peptidoglycans, polar lipids and proteins – their chemical structure and biological attributes. Int J Biol Macromos. 2020; 147:333- 349. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.12.227

24. Prasanna PHP, Grandison AS, Charalampopoulos D. Bifdobacteria in milk products: anoverview of physiological and biochemical properties, exopolysaccharide production, selection criteria of milk products and health benefts. Food Research Int. 2014;55:247-262. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2013.11.013

25. Mao YH, Song AX, Li LQ, Siu KC,Yao ZP, Wu JY. Effects of exopolysaccharide fractions with different molecular weights and compositions on fecal microfora during in vitro fermentation. Int J Biol Macromol. 2020;144:76-84. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.12.072

26. Ainsworth S, Sadovskay I, Vinogradov E, Courtin P, Guerardel Y, Mahony J, Grard T, Cambillau Ch, Chapot-Chartier MP, van Sinderen D. Differences in lactococcal cell wall structure are major determining factors in bacteriophage sensitivity. mBio. 2014;5(3):e00880-14. https://doi.org/10.1128/mBio.00880-14

27. Jiang B, Tian L, Huang X, Liu Zh, Jia K, Wei H, Tao X. Characterization and antitumor activity of novel exopolysaccharide APS of Lactobacillus plantarum WLPL09 from human breast milk. Int J Biol Macromol. 2020;163(15):985-995. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.06.277

28. Salazar N, Binetti A, Gueimonde M., Alonso A, González del Rey C, González C, Ruas-Madiedo P, de los Reyes-Gavilán CG. Safety and intestinal microbiota modulation by the exopolysaccharide-producing strains Bifdobacterium animalis IPLA R1 and Bifdobacterium longum IPLA E44 orally administered to Wistar rats. International J Food Microbiol. 2011;144(3):342-351. https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2010.10.016

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

30. Almalki AM. Exopolysaccharide production by a new Lactobacillus lactis isolated from the fermented milk and its antioxidant properties. J King Saud University – Science. 2020;32(2):1272- 1277. https://doi.org/10.1016/j.jksus.2019.11.002

31. Yu J, Yang Zh. A functional and genetic overview of exopolysaccharides produced by Lactobacillus plantarum. J Funct Foods. 2018;47:229-240. https://doi.org/10.1016/j.jff.2018.05.060