Functional evaluation of Fusarium venenatum-based microbial protein using multi-omics analysis

Abstract

These days, meat is the main source of protein for humans. However, meeting the global demand for meat is predicted hard in the future for several reasons such as the increasing global population and meat consumption, the low efficiency of converting feed to meat, the environmental burden, and greenhouse gases emission. Many food companies and researchers have sought alternative protein sources such as cultured meat, plant-based protein, and edible insect to supply protein sustainably for the future. Microbial protein which is made by fermentation of Fusarium venenatum is one of the candidates for alternative protein sources. Therefore, we aimed to elucidate the functional evaluation of F. venenatum-based microbial protein as an alternative protein source using multi-omics analysis. In the first study, we conducted experiments using C. elegans. We fed Escherichia coli OP50 (OP50) or E. coli OP50 with F. venenatum (F.V). In the lifespan and killing assay, F.V group showed improved longevity and innate immune response compared to OP50 group. To evaluate lipid quantification Nile red and Oil red o staining were performed and the result showed significantly reduced fat accumulation in F.V group compared to OP50 group. Thus, we performed a whole transcriptomic analysis to identify alteration at the molecular level by F. venenatum. The result showed notably downregulated gene expressions related to fat synthesis including pod-2 and fasn-1 and upregulated gene expressions related to the fat breakdown pathway in F.V group compared to OP50 group. The second experiment was conducted to confirm the anti-obesity effect of F. venenatum in mice induced with a high-fat diet. Blood analysis showed that toxicity biomarkers were reduced and lipid profiles were improved in the groups orally administered with F. venenatum compared to the HFD group. Histological data revealed that groups fed with F. venenatum showed significantly reduced fat accumulation in both liver and adipose tissue. The metabolomic analysis showed the high concentration of primary bile acid and its prosecutor cholesterol in the fecal of groups fed with F. venenatum compared to other groups. This result implied that F. venenatum entrapped the digestive enzyme including primary bile acid and cholesterol which may have led to a reduction in lipid digestion and consequently decrease in fat accumulation. In addition, the metagenomic analysis showed that F. venenatum altered the composition of microbial composition and increased the alpha diversity. In conclusion, this series of functional studies reveal the possibility of F. venenatum-based microbial protein as a sustainable alternative protein. In addition, F. venenatum-based microbial protein reduced fat accumulation when fed to animals with metabolic diseases such as obesity. These results imply F. venenatum-based microbial protein may apply as an anti-obesity supplement.

단백질은 몸을 구성하는 기본 물질이며 인간이 삶을 영위하는 데 가장 중요한 물질이다. 특히, 고기는 대표적인 단백질 공급원으로 여겨지며 많은 사람들이 고기를 섭취하여 필요한 단백질을 보충하고 있다. 전 세계적인 인구 및 고기 섭취량 증가에 따라 증가하는 수요를 맞추기 위하여 사육 두수를 늘려야 한다. 하지만 현재 축산업으로 인해 발생하는 환경 문제들로 인해 사육 두수를 늘리는 것은 힘들 것으로 보이며 결과적으로 미래에는 고기의 수요를 맞추기 힘들 것으로 예상된다. 이에 따라 많은 연구진들이 미래의 지속적인 단백질 공급을 위하여 대체단백질들을 찾기 위해 노력하였으며 배양육, 식물성 단백질, 식용 곤충 등이 후보물질들로 대두되었다. 본 연구에서 사용한 물질은 Fusarium venenatum을 배양하여 생산한 미생물 단백질로서 대체단백질 후보물질 중 하나이다. 본 연구는 멀티오믹스 분석 기술을 이용하여 F. venenatum 기반 미생물 단백질의 대체단백질원으로의 기능을 평가하기 위하여 진행되었다. 첫 번째 실험으로는 예쁜꼬마선충을 이용한 실험을 진행하였다. 예쁜꼬마선충에게 Escherichia coli OP50을 단독으로 먹인 그룹을 OP50 그룹이라 명명하고 E. coli OP50와 함께 F. venenatum을 먹인 그룹을 F.V 그룹이라 명명하였다. Lifespan assay와 Killing assay를 통해 F.V 그룹이 OP50 그룹에 비해 수명이 연장되고 면역력이 향상된 것을 확인하였다. 지방 축적양을 확인하기 위하여 Nile red와 Oil red o 염색 실험을 진행하였으며 이를 통해 F.V 그룹에서 OP50 그룹에 비해 지방 축적양이 감소한 것을 확인하였다. 또한 F. venenatum의 급여가 유전자 발현에 영향을 미치는지 확인하기 위하여 전사체 분석을 진행하였으며 본 연구에서 F.V에서 OP50에 비해 지방 합성과 관련된 유전자 pod-2와 fasn-1의 발현은 억제되었으며 반대로 지방 분해와 관련된 유전자들의 발현은 증가하였음을 확인하였다. 두 번째 실험은 고지방식이로 비만을 유도한 마우스에서 F. venenatum의 항비만 효과를 확인하기 위하여 진행되었다. 혈액분석 결과 F. venenatum을 경구투여한 그룹에서 HFD 그룹에 비해 간 독성 바이오마커는 감소하고 지질 지표들은 개선된 것을 확인하였다. 조직학적 분석을 통해 F. venenatum 급여가 간과 지방조직의 지방 축적을 감소시킨 것을 확인하였다. 또한 대사체 분석을 통해 F. venenatum이 1차 담즙산과 콜레스테롤 같은 소화효소들과 결합하여 분변으로 배출시켰고 이를 통해 지방의 소화가 감소하여 지질 지표가 개선되고 지방 축적을 감소시키는 것으로 예측되었다. 추가적으로 장내미생물 분석을 통해 F. venenatum의 급여가 장내미생물총 구성을 변경시켰으며 알파 다양성을 증가시킨 것을 확인하였다. 결론적으로 본 연구에서 지속가능한 대체단백질로써 F. venenatum 기반 미생물 단백질의 가능성을 확인하였으며 또한, 비만과 같은 대사질환을 지닌 동물에 F. venenatum 기반 미생물 단백질을 급여하였을 시, 지방 축적 및 지방 생성 대사가 줄어드는 것을 확인한바 향후 기능성을 보유한 F. venenatum 기반 미생물단백질의 다양한 활용이 기대된다.