The potential metabolism of human milk oligosaccharides and mucin in the infant intestine by Bifidobacterium and Bacteroides

Abstract

Among the most abundant genera in the gut of 6-month-old infants are the Bacteroides and Bifidobacterium genera. Bifidobacterium species are well known to utilize human milk oligosaccharides (HMOs) but can also degrade mucins present in humans' gastrointestinal tract. Mucins are structurally similar to HMOs and are the primary resource for Bacteroides species. Bacteroides have recently been discovered to degrade HMOs, and Bifidobacterium seems not to be the only species to possess this trait. There is currently a knowledge gap related to the common metabolism of these resources and the potential competition between the Bacteroides and Bifidobacterium genera. This thesis aims to investigate metabolic pathways and glycoside hydrolases that are recognized for HMO- and mucin degradation with the help of metagenomics and proteomics. A subset of 11 samples were selected from a bigger sample-set of 100 16S rRNA sequenced fecal samples. The subset was split into two groups: samples high in Bacteroides and samples high in Bifidobacterium. A shotgun analysis was performed to investigate the potential functions present in Bacteroides and Bifidobacterium and proteome analysis to identify and match proteins to the shotgun data. Accordingly, an SCFA analysis was performed to identify associations between the produced SCFA and metabolic pathways. All necessary intracellular glycoside hydrolases (GHs) for HMO degradation were detected for both genera in the shotgun data, including sialidases, fucosidases, β-galactosidases, and β-hexosaminidases. Two mucin-related GHs were found in the genome of Bifidobacterium and not in Bacteroides. Sulfatases that may be used to degrade other substrates in human breast milk were identified in the Bacteroides genome and not in Bifidobacterium. The proteomics revealed the presence of fucosidases and β-hexosaminidases in both genera. However, sialidases were missing for Bifidobacterium and Bacteroides, whereas the latter also lacked β-galactosidases. There was no correlation between SCFAs and the two genera, but the potential for producing acetate was observed in different metabolic pathways for Bifidobacterium and Bacteroides. The latter illustrated a potential for producing propionate as well. The study revealed similar abilities of HMO and mucin degradation between Bacteroides and Bifidobacterium, although the Bifidobacterium genus is likely better adapted and has a broader repertoire of the necessary enzymes for HMO utilization. Bacteroides could depend on other factors in human milk to compete with the Bifidobacterium species. The potential competition between these genera and the metabolic pathways they may exploit to promote their species' growth, should be further investigated.

Blant de mest tallrike bakteriene i tarmen til 6 måneder gamle spedbarn er slektene Bacteroides og Bifidobacterium. Bifidobacterium er godt kjent for å benytte seg av oligosakkarider i brystmelk (HMO), men de kan også degradere muciner som finnes i den gastrointestinale trakten hos mennesker. Mucin er veldig like HMO i strukturen, og er hovedressursen til arter i Bacteroides slekten. Bacteroides har og nylig blitt observert å kunne degradere HMO, slik at Bifidobacterium ser ut til å ikke være den eneste slekten som har denne egenskapen. Foreløpig er det et avvik i kunnskapen relatert til deres felles metabolisme for disse ressursene, som fremmer levedyktigheten og gjør at de bosetter seg i tarmen. Målet med denne oppgaven har vært å undersøke metabolske reaksjonsveier og glykosid hydrolaser som er kjent for HMO- og mucin degradering, ved hjelp av metagenomikk og proteomikk. Fra et prøvesett på 100 16S rRNA sekvenserte fekale prøver, ble 11 prøver valgt ut. De ble delt inn i to grupper: høy Bacteroides og høy Bifidobacterium. En shotgun analyse ble gjennomført for å undersøke potensielle funksjoner hos Bacteroides og Bifidobacterium, samt en proteom-analyse for å identifisere og matche proteiner til shotgun-data. I tillegg ble det gjennomført en kortkjedet fettsyre-analyse for å identifisere assosiasjoner mellom de produserte fettsyrene og metabolske reaksjonsveiene. Alle nødvendige intracellulære glykosid-hydrolaser (GH) for HMO degradering ble funnet for begge slekter i shotgun-dataen. Disse inkluderer sialidaser, fukosidaser, β-galaktosidaser og β-heksosaminidaser. To mucin-relaterte GHer ble funnet i genomet til Bifidobacterium, men ikke hos Bacteroides. Sulfataser, som kan benyttes for degradering av andre substrater i brystmelk ble funnet hos Bacteroides og ikke hos Bifidobacterium. Proteomikken avslørte tilstedeværelse av fukosidaser og β-heksosaminidaser hos begge slektene. Sialidaser derimot manglet hos begge, og Bacteroides manglet også β-galactosidaser. Ingen korrelasjon mellom kortkjedede fettsyrer og bakterieslektene ble observert, men potensialet for acetat-produksjon ble observert i ulike metabolske reaksjonsveier for Bifidobacterium og Bacteroides. Bacteroides illustrerte også et potensiale for propionat-produksjon. Både Bacteroides og Bifidobacterium viste gode muligheter for degradering av HMO og mucin i denne studien, men Bifidobacterium synes å være bedre tilpasset med et større repertoar av enzymene som er nødvendige i degradering av HMO. Bacteroides kan være avhengig av andre faktorer i brystmelk for å kunne konkurrere med Bifidobacterium. Metabolske reaksjonsveier og GHer som Bacteroides og Bifidobacterium benytter seg av burde undersøkes videre, for å få en bredere forståelse av hva det er som fremmer veksten til disse slektene i tarmen til spedbarn.