Physiological activity of butyrate-producing gut bacteria

Abstract

Faecalibacterium prausnitzii (F. prausnitzii) is one of the most abundant bacteria in the human intestinal microbiota and regarded as a major effector in human intestinal health because of its anti-inflammatory effects. It produces butyric acid, which has a beneficial effect on human gut health. However, the extreme oxygen sensitivity has been a significant obstacle to cultivate and study the physiological characteristics of this organism. To investigate physiological characteristics of F. prausnitzii, its growth on various types of sugars was tested and the results showed that glucose, fructose, N-acetylglucosamine (NAG), galactose and N-acetylgalactosamine (NAGA) were consumed as major carbon sources. Butyric acid was accumulated to 315.18 ± 14.2 ~ 355.66 ± 21.4 mg/L in the growth supernatant, when glucose, fructose, or N-acetylglucosamine was supplemented. The genes encoding butyryl-CoA dehydrogenase (BCD) and butyryl-CoA: acetate CoA-transferase (BUT) in F. prausnitzii were cloned and expressed in E. coli to determine the effect of butyric acid production on intestinal health. The two genes were cloned individually or together under the control of the constitutive cat and crp promoter into the plasmid pACYC184 and pBR322. According to the results of butyric acid production in wild-type E. coli expressing BCD, BUT or both, BCD was shown to be essential, while BUT was dispensable, for the production of butyric acid. The effect of a carbon source, such as glucose, N-acetylglucosamine, N-acetylgalactosamine and inulin was compared and the results showed that optimal carbon sources for butyric acid production were glucose and NAG, which is one of major components of mucin in the human intestine. The anti-inflammatory effects of butyric acid production were tested by administrating these strains into DSS-induced colitis model mice. The oral administration of E. coli Nissle 1917 strain carrying the expression vector for BCD and BUT (EcN-BCD-BUT) prevented damage induced by DSS.

인간 장내 미생물 중 가장 높은 점유율을 차지하고 있는 대표 마이크로비오타의 한 종류인 F. prausnitzii는 장내 건강과 밀접한 관련이 있고 이는 F. prausnitzii의 대사 산물에 의하여 항 염증 효과 때문인 것으로 알려져 있다. 대표적으로 알려진 대사산물로는 뷰티르산이 있으며 이는 인간의 장 건강에 유익한 효과를 주는 것으로 알려져 있다. 하지만 이렇게 유용한 미생물임에도 불구 하고 F. prausnitzii는 극혐기성 박테리아로서 산소에 극도로 민감하여 이 미생물의 생리적 특성과 관련된 연구는 거의 발표되지 않았다. 본 연구에서는 F. prausnitzii의 생리학적 특성을 조사하기 위해 다양한 종류의 당에서의 성장을 시험 한 결과, 글루코스가 존재하는 조건에서 가장 잘 성장하는 것으로 확인되었다. 글루코스, 프록토스, N-아세틸글루코사민이의 조건에서 F. prausnitzii의 뷰티르산 생산은 성장도와 비례하여 글루코스 조건에서 최적 생산량 (355.66 ± 21.4 mg/L)을 보이고 있다. F. prausnitzii에서 뷰티릭산 생산에 관여하는 효소인 Butyryl-CoA dehydrogenase (BCD)와 Butyryl-CoA : Acetate CoA-transferase (BUT)를 코딩하는 유전자를 클로닝하여 대장균에서 발현시켜 장내 건강에 미치는 뷰티르산 생산의 효과를 확인 하였다. 두 개의 유전자는 cat 프로모터의 제어하에 개별적으로 또는 함께 플라스미드 pACYC184 및 pBR322에 클로닝하였다. 야생형과 BCD, BUT 각각 혹은 두가지 유전자가 모두 발현하는 대장균에서의 뷰티르산 생산 결과에 의하면 뷰티르산의 생산을 위해서는 BCD 유전자는 필수적으로 필요하였지만 BUT의 경우에는 필수적이지 않은 것으로 나타났다. 당에 의한 뷰티릭산 생산량을 비교하기 위하여 글루코스, 프록토스, N-아세틸글루코사민, N-아세틸갈락토사민 그리고 이눌린 조건에서 실험한 결과 뷰티릭산 생산을 위한 최적조건은 글루코스을 주입하였을 때 였으며 인간 장내에 존재하는 N-아세틸글루코사민도 뷰티릭산 생산에 사용될 수 있음을 확인하였다. 뷰티르산 생성을 통한 항염증 효과를 확인하기 위해서 DSS-유도 대장염 모델 마우스에 이들 균주를 투여하여 시험 하였고 E. coli Nissle 1917-BCD-BUT를 경구 투여하였을 때 대장염에 의해 유발된 장 손상을 방지하는 것을 확인하였다.