ヒト酪酸産生腸内細菌によるビタミン生合成と合成微生物群集のクロスフィーディング

Vitamin Biosynthesis by Human Gut Butyrate-Producing Bacteria and Cross-Feeding in Synthetic Microbial Communities.

• Eva C Soto-Martin
• Ines Warnke
• Freda M Farquharson
• Marilena Christodoulou
• Graham Horgan
• Muriel Derrien
• Jean-Michel Faurie
• Harry J Flint
• Sylvia H Duncan
• Petra Louis

抄録

ヒト酪酸産生腸内細菌15株の8種類のビタミンB群とタンパク質原性アミノ酸の必要量をゲノム配列解析と生育実験を組み合わせて調べた。ヒト酪酸産生腸内細菌株は、ほとんどのビタミンとアミノ酸トリプトファンに対して補助栄養状態であった。この中では、ほとんどの種はすべてのアミノ酸といくつかのビタミンに対して原生栄養性であったが、ビオチンの補助栄養性は広範囲に及んでいた。また、チアミンと葉酸については、属・種に属する菌株のほとんどが原栄養性を示したが、それ以外の菌株ではほとんど認められなかった。チアミンまたは葉酸の補助栄養菌5株を、ビタミン濃度の異なる原生菌の非存在下および存在下で合成培養実験を行った。これにより、細菌間で交差給餌が行われていることが実証され、原生生物の株間で交差給餌効率に差があることが明らかになった。モノカルチャーと比較してコカルチャーではビタミンに依存しない成長刺激も観察され、特にA2-165については、共同体メンバーからの他の成長因子の供給から利益を得ていることが示唆された。健康なヒトの大腸で最も多く見られる酪酸産生菌に複数のビタミン補助栄養が存在することは、これらの細菌が食事から供給されるビタミンに依存しているか、あるいは微生物群集の他のメンバーからの交雑栄養に依存していることを示唆している。腸管内の微生物は、人間の健康に強い影響を与えている。食事中の難消化性炭水化物を発酵させることで、大腸壁の主燃料であり、抗がん作用や抗炎症作用を持つ酪酸を含む、健康増進のための短鎖脂肪酸が形成されます。酪酸産生細菌の増殖要件を十分に理解することは、腸内でこれらの微生物を促進するための効率的な戦略を開発するために重要であり、特にその豊富さが変化している場合には重要である。ある種のビタミンの非存在下では、いくつかの優占的な酪酸産生菌が増殖できないことが示されたことは、これまでの解析結果を裏付けるものである。さらに、チアミンまたは葉酸に対して原栄養化された株（酪酸生産者および非酪酸生産者）が成長を刺激し、補助栄養化された合成群集の組成に影響を与えることができたことを立証したことは、効率的なクロスフィーダーである原栄養化細菌の供給が、特定の条件下で酪酸生産細菌を刺激する可能性があることを示唆している。

We investigated the requirement of 15 human butyrate-producing gut bacterial strains for eight B vitamins and the proteinogenic amino acids by a combination of genome sequence analysis and growth experiments. The species and were auxotrophic for most of the vitamins and the amino acid tryptophan. Within the , most species were prototrophic for all amino acids and several vitamins, but biotin auxotrophy was widespread. In addition, most of the strains belonging to and spp., but few of the other strains, were auxotrophic for thiamine and folate. Synthetic coculture experiments of five thiamine or folate auxotrophic strains with different prototrophic bacteria in the absence and presence of different vitamin concentrations were carried out. This demonstrated that cross-feeding between bacteria does take place and revealed differences in cross-feeding efficiency between prototrophic strains. Vitamin-independent growth stimulation in coculture compared to monococulture was also observed, in particular for A2-165, suggesting that it benefits from the provision of other growth factors from community members. The presence of multiple vitamin auxotrophies in the most abundant butyrate-producing species found in the healthy human colon indicates that these bacteria depend upon vitamins supplied from the diet or via cross-feeding from other members of the microbial community. Microbes in the intestinal tract have a strong influence on human health. Their fermentation of dietary nondigestible carbohydrates leads to the formation of health-promoting short-chain fatty acids, including butyrate, which is the main fuel for the colonic wall and has anticarcinogenic and anti-inflammatory properties. A good understanding of the growth requirements of butyrate-producing bacteria is important for the development of efficient strategies to promote these microbes in the gut, especially in cases where their abundance is altered. The demonstration of the inability of several dominant butyrate producers to grow in the absence of certain vitamins confirms the results of previous analyses. Furthermore, establishing that strains prototrophic for thiamine or folate (butyrate producers and non-butyrate producers) were able to stimulate growth and affect the composition of auxotrophic synthetic communities suggests that the provision of prototrophic bacteria that are efficient cross feeders may stimulate butyrate-producing bacteria under certain conditions.

Copyright © 2020 Soto-Martin et al.