水素の競争は、連続培養におけるヒト消化管ヒドロゲノトロフの共存を妨げる

Competition for Hydrogen Prevents Coexistence of Human Gastrointestinal Hydrogenotrophs in Continuous Culture.

• Nick W Smith
• Paul R Shorten
• Eric Altermann
• Nicole C Roy
• Warren C McNabb

抄録

マイクロバイオームと宿主の健康状態との関連性を研究し続ける中で、ヒト消化管（GIT）マイクロバイオームの代謝動態を理解することは、ますます重要性を増している。水素を代謝する微生物株は、宿主の栄養状態や健康状態に及ぼすプラスとマイナスの両方の様々な結果と関連しているが、GIT におけるそれらの競合についてのデータは限られている。硫酸還元細菌（SRB）、メタノゲンおよび還元性アセトゲン：これらの微生物の行動へのより大きな洞察を可能にするために、3つの主要な水素栄養グループの代謝と成長のための数学的モデルが開発されました。豊富な硫酸塩と水素を用いたバッチ培養シミュレーションでは、硫酸還元菌はメタノゲンよりも10倍低い半飽和定数を有していたため、メタノゲンを凌駕していた。水素取り込みのモデル閾値が約70mMと高いアセトゲンは、最も競争力が低かった。高乳酸塩及びゼロ硫酸塩条件下では、SRBとメタノーゲンの間の水素交換が支配的な相互作用であった。メタン原体はSRBの70%の速度で成長したが、アセトゲンの成長は無視できる程度であった。連続培養シミュレーションでは、SRBとメタノゲンは基質の利用可能性に関係なく0.15時間以上の希釈率で洗い流されたが、アセトゲンは豊富な水素条件下で生存することができた。連続培養で2つ以上のヒドロゲノトロフの生存には、特定の条件の組み合わせが必要であり、3つすべての生存は不可能であった。これらの条件の厳しさと、連続培養での3つのハイドロジェンオトロフの生存をシミュレートできなかったことは、モデル化された条件以外の要因がGITでのハイドロジェンオトロフの共存を可能にするために不可欠であることを示している。

Understanding the metabolic dynamics of the human gastrointestinal tract (GIT) microbiota is of growing importance as research continues to link the microbiome to host health status. Microbial strains that metabolize hydrogen have been associated with a variety of both positive and negative host nutritional and health outcomes, but limited data exists for their competition in the GIT. To enable greater insight into the behaviour of these microbes, a mathematical model was developed for the metabolism and growth of the three major hydrogenotrophic groups: sulphate-reducing bacteria (SRB), methanogens and reductive acetogens. In batch culture simulations with abundant sulphate and hydrogen, the SRB outcompeted the methanogen for hydrogen due to having a half-saturation constant 10 times lower than that of the methanogen. The acetogen, with a high model threshold for hydrogen uptake of around 70 mM, was the least competitive. Under high lactate and zero sulphate conditions, hydrogen exchange between the SRB and the methanogen was the dominant interaction. The methanogen grew at 70% the rate of the SRB, with negligible acetogen growth. In continuous culture simulations, both the SRB and the methanogen were washed out at dilution rates above 0.15 h regardless of substrate availability, whereas the acetogen could survive under abundant hydrogen conditions. Specific combinations of conditions were required for survival of more than one hydrogenotroph in continuous culture, and survival of all three was not possible. The stringency of these requirements and the inability of the model to simulate survival of all three hydrogenotrophs in continuous culture demonstrates that factors outside of those modelled are vital to allow hydrogenotroph coexistence in the GIT.

Copyright © 2020 Smith, Shorten, Altermann, Roy and McNabb.