Molekylstruktur av lakto-N-biosidas LnbX, ett enzym från en symbiotisk bakterie (B. longum) i spädbarns tarm för att bryta ner sockerarter i bröstmjölk. Kredit:Yamada och Gotoh et al.
Bröstmjölk ger viktiga näringsämnen inte bara till spädbarn, men också till nyttiga mikrober som bor i mag-tarmkanalen. En studie publicerad 6 april i Cellkemisk biologi visar att en bakterieart kallas Bifidobacterium longum har framgångsrikt anpassat sig till spädbarnets unika nisch genom att producera ett enzym som heter LnbX, vilket gör det möjligt för denna mikrob att växa på ett socker som bara finns rikligt i bröstmjölk.
"Med tanke på de hälsofrämjande effekterna av bifidobakterier, våra fynd avslöjar en möjlig evolutionär väg för den bröstmjölksdrivna symbiosen mellan tarmmikrober och människor, " säger co-senior studieförfattaren Takane Katayama från Kyoto University.
Tarmmikrober tidigt i livet tros ha långvariga effekter på människors hälsa, och studier har visat att kosten starkt påverkar sammansättningen av denna befolkning. Till exempel, humanmjölkssocker är känt för att selektivt främja tillväxten av nyttiga tarmmikrober såsom bifidobakterier, som förhindrar diarré och patogen infektion hos spädbarn. En viktig komponent i bröstmjölk är ett socker som kallas lakto-N-tetraos, som praktiskt taget saknas i andra däggdjurs mjölk. Bifidobakterier producerar enzymer som bryter ner detta socker, Detta tyder starkt på att ett symbiotiskt förhållande nyligen utvecklats mellan dessa mikroorganismer och människor.
När vi undersökte hur detta symbiotiska förhållande utvecklades, Katayama och co-senior studieförfattaren Shinya Fushinobu vid University of Tokyo karakteriserade tidigare LnbB och isolerade LnbX-enzymer som bryter ner lakto-N-tetraos i Bifidobacterium bifidum och Bifidobacterium longum , respektive. I den nya studien, forskarna ville bygga vidare på dessa fynd genom att bestämma röntgenkristallstrukturen för den katalytiska domänen av LnbX. Kristallstrukturen, i kombination med mutations- och farmakologiska experiment, avslöjade att LnbX har en distinkt struktur och katalytisk mekanism från LnbB och därför tillhör en ny familj av glykosidhydrolasenzymer som kallas GH136.
Oligosackarider från bröstmjölk främjar selektivt bifidobakteriell tillväxt i spädbarnets tarm. Detta visuella abstrakt skildrar resultaten av Yamada och Gotoh et al., som tillhandahåller den strukturella grunden för lakto-N-biosidas (LnbX), en nyckelenzymatisk faktor för tillväxt och spridning av B. longum hos ammade spädbarn. Kredit:Yamada och Gotoh et al./ Cellkemisk biologi 2017
"Även om B. longum och B. bifidum tillhör samma släkte och bor i samma miljö, de använder olika enzymer för att bryta ner lakto-N-tetraos, dra fördel av de olika strukturerna hos detta unika bröstmjölksocker, Fushinobu säger. "Fynden tyder på att olika stammar och arter av nyttiga bifidobakterier har utvecklat olika molekylära verktyg för att smälta samma humana mjölksocker, oberoende av varandra. förklarar deras förmåga att samexistera och frodas i mag-tarmkanalen hos spädbarn som fått bröstmjölk."
Ytterligare experiment visade att lnbX-genen är kritisk för förmågan att B. longum att växa specifikt på lakto-N-tetraos. Dessutom, en analys av fekalt DNA visade det B. longum och lnbX-genen var rikligare i mag-tarmkanalen hos tio spädbarn som uteslutande konsumerade bröstmjölk jämfört med sex spädbarn som fick en blandning av modersmjölksersättning och bröstmjölk. "Tagen tillsammans, dessa fynd tyder på att lnbX är viktigt för B. longum att kvarstå i tarmens ekosystem hos spädbarn som fått bröstmjölk, och bröstmjölkssocker har varit det huvudsakliga selektiva trycket för utvecklingen av lnbX, " säger Katayama.
I framtida studier, forskarna kommer att undersöka om andra bifidobakteriella arter producerar olika enzymer för att smälta bröstmjölkssocker. De kommer också att leta efter bifidobakteriella metaboliter som främjar spädbarns hälsa. I slutet, denna forskning skulle kunna förbättra formelmjölk genom berikning antingen med nyttiga bakterieföreningar, eller med mikrobiella enzymer som har manipulerats för att utföra den omvända reaktionen och syntetisera humanmjölkssocker till låg kostnad och stor skala.
"Även om amning under det första levnadsåret rekommenderas i de flesta fall, vissa mammor måste förlita sig på modersmjölksersättning eftersom de har virusinfektioner eller inte producerar mjölk med viktiga näringsämnen som zink, " säger Katayama. "Därför, Utvecklingen av nya strategier för att berika formelmjölk med hälsofrämjande ingredienser kommer att vara särskilt kritisk i dessa sällsynta fall där bröstmjölksmatning inte är möjlig."
