Bifidobacterium longum subsp Infantisによる、牛乳オリゴ糖の利用のゲノムスケール代謝モデリング

Bifidobacterium longum subsp。幼児は乳児の腸内の代表的で支配的な種であり、有益な微生物と考えられています。この生物は、幼児腸で繁栄するための複数の適応を示しており、母乳オリゴ糖（HMOS）の使用率のモデルと見なされます。これらの炭水化物は母乳に豊富で、乳糖に基づいた異なる分子が含まれます。それらには、フコース、シアル酸、およびN-アセチルグルコサミンが含まれています。ビフィドバクテリウム代謝は複雑であり、HMO消費中に関連する代謝経路と交換代謝産物のシステムビューが欠落しています。この制限に対処するために、この細菌の洗練されたゲノムスケールネットワーク再構築が、テンプレートとしてB. Infantis ATCC 15967の以前の再構築を使用して提示されます。後者は、ゲノム注釈、現在の文献、およびトランスクリプトームデータ統合の広範な改訂に基づいて拡張されました。代謝再建（ILR578）は、578の遺伝子、1,047の反応、および924代謝産物を占めました。この再構築から始めて、乳糖と3つのHMOで成長している培養物からのRNA-seqデータを使用して、コンテキスト固有のゲノムスケール代謝モデルを構築しました。モデルは、基質の機能的特性に応じて、HMO代謝の顕著な違いを明らかにしました。特に、フコシル乳酸はフコース部分による分岐代謝を示しました。乳酸と酢酸の高収量は、すべての条件で成長速度の最大化下で予測されましたが、形成酸、エタノール、および1,2-プロパンジオールはかなり低かった。経験的に観察された酢酸と乳酸産生比を変化させると、各基質のほぼ最適成長の下でも同様の結果が得られました。モデルの予測は、すべての条件で中心炭素代謝フラックスと発現データとの間の合理的な一致を示しました。フラックスカップリング分析により、コハク酸交換とアルギニンと硫酸塩の代謝の間の追加のつながり、および中央炭素反応とアデニン代謝の間の強い結合が明らかになりました。さらに重要なことは、各炭素源の下での結合反応の特定のネットワークが導出され、分析されました。全体として、提示されたネットワークの再構築は、この顕著な乳児腸bidobacteriaの代謝を調査するための貴重なプラットフォームを構成します。Importancethethis作業は、Bifidobacterium longum subspの代謝の詳細な再構築を示しています。乳児腸内微生物叢の著名なメンバーである幼児は、母乳oligosac糖の代謝のシステムビューを提供します。

Bifidobacterium longum subsp. infantis is a representative and dominant species in the infant gut and is considered a beneficial microbe. This organism displays multiple adaptations to thrive in the infant gut, regarded as a model for human milk oligosaccharides (HMOs) utilization. These carbohydrates are abundant in breast milk and include different molecules based on lactose. They contain fucose, sialic acid, and N-acetylglucosamine. Bifidobacterium metabolism is complex, and a systems view of relevant metabolic pathways and exchange metabolites during HMO consumption is missing. To address this limitation, a refined genome-scale network reconstruction of this bacterium is presented using a previous reconstruction of B. infantis ATCC 15967 as a template. The latter was expanded based on an extensive revision of genome annotations, current literature, and transcriptomic data integration. The metabolic reconstruction (iLR578) accounted for 578 genes, 1,047 reactions, and 924 metabolites. Starting from this reconstruction, we built context-specific genome-scale metabolic models using RNA-seq data from cultures growing in lactose and three HMOs. The models revealed notable differences in HMO metabolism depending on the functional characteristics of the substrates. Particularly, fucosyl-lactose showed a divergent metabolism due to a fucose moiety. High yields of lactate and acetate were predicted under growth rate maximization in all conditions, whereas formate, ethanol, and 1,2-propanediol were substantially lower. Similar results were also obtained under near-optimal growth on each substrate when varying the empirically observed acetate-to-lactate production ratio. Model predictions displayed reasonable agreement between central carbon metabolism fluxes and expression data across all conditions. Flux coupling analysis revealed additional connections between succinate exchange and arginine and sulfate metabolism and a strong coupling between central carbon reactions and adenine metabolism. More importantly, specific networks of coupled reactions under each carbon source were derived and analyzed. Overall, the presented network reconstruction constitutes a valuable platform for probing the metabolism of this prominent infant gut bifidobacteria.IMPORTANCEThis work presents a detailed reconstruction of the metabolism of Bifidobacterium longum subsp. infantis, a prominent member of the infant gut microbiome, providing a systems view of its metabolism of human milk oligosaccharides.