腸内細菌Prevotella copriの生理と中心的炭素代謝に関する研究

Physiology and central carbon metabolism of the gut bacterium Prevotella copri.

• Thomas Franke
• Uwe Deppenmeier

抄録

ヒトの腸内細菌叢は、健康や病気に関して宿主の生理機能に重要な役割を果たしている。微生物腸内群集のメタゲノムショットガン配列決定により、プレボテラ・コプリ菌が多くの人の消化管で最も重要な役割を果たしていることが明らかになった。この細菌の重要性から、我々はP. copriの増殖挙動と中心的な代謝経路を解析した。バイオインフォマティクスデータ、トランスクリプトームプロファイリング、酵素活性測定の結果、主要な代謝経路は解糖とフマル酸からのコハク酸産生に基づくことが示された。また、ピルビン酸はアセテートとギ酸塩に分解される。電子輸送リン酸化は、NADHと還元フェレドキシンを電子供与体とするフマル酸呼吸に依存する。一方、P. copriは、Bacteroides vulgatusとは対照的に、バイオマス形成のためのCOや重炭酸塩の添加への依存性がより顕著であった。光学密度の異なる多くのP. copri培養物の基質消費量と生成物濃度を分析した結果、中心代謝における炭素と電子の流れを予測し、成長収量、炭素と酸化還元バランスを詳細に計算することができた。

The human gut microbiota is a crucial factor for the host's physiology with respect to health and disease. Metagenomic shotgun sequencing of microbial gut communities revealed that Prevotella copri is one of the most important players in the gastrointestinal tract of many individuals. Because of the importance of this bacterium we analyzed the growth behavior and the central metabolic pathways of P. copri. Bioinformatic data, transcriptome profiling and enzyme activity measurements indicated that the major pathways are based on glycolysis and succinate production from fumarate. In addition, pyruvate can be degraded to acetate and formate. Electron transport phosphorylation depends on fumarate respiration with NADH and reduced ferredoxin as electron donors. In contrast to Bacteroides vulgatus, P. copri showed a more pronounced dependency on the addition of CO or bicarbonate for biomass formation, which is a remarkable difference between P. copri and Bacteroides spp. with important implication in the context of gut microbial competition. The analysis of substrate consumption and product concentrations from many P. copri cultures with different optical densities allowed a prediction of the carbon and electron flow in the central metabolism and a detailed calculation of growth yields as well as carbon and redox balances.

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