Особенности генома пробиотических бифидобактерий, детерминирующие их штаммоспецифические свойства

Цель исследования — анализ особенностей генома пробиотических штаммов Bifidobacterium longum 379, Bifidobacterium bifidum 1 и Bifidobacterium bifidum 791 и изучение их противовирусной активности.

Материалы и методы. Проведено полногеномное секвенирование трех штаммов бифидобактерий с использованием платформы MiSeq (Illumina Inc., США). Аннотацию геномов выполняли с помощью утилиты Prokka v. 1.11 и геномного сервера RAST. Поиск отдельных генетических детерминант проводили с использованием программ ResFinder 3.2, PathogenFinder, PlasmidFinder, RAST и Bagel 4. Исследование антивирусной активности штаммов против вирусов гриппа А осуществляли с использованием клеток MDCK (клетки почки собаки Мадина–Дарби), эпидемического штамма вируса гриппа A/Lipetsk/1V/2018 (H1N1 pdm09) (EPI_ISL_332798), штамма высокопатогенного вируса гриппа птиц A/common gull/Saratov/1676/2018 (H5N6) (EPI_ISL_336925) и витального красителя нейтрального красного.

Результаты. В геномах всех изученных штаммов обнаружены детерминанты, ответственные за утилизацию углеводов растительного происхождения, в геномах B. longum 379 и B. bifidum 791 представлены гены ключевых ферментов синтеза триптофана и фолиевой кислоты. Особенностью генома B. bifidum 791 является наличие детерминант, ответственных за синтез термостабильных бактериоцинов I типа — флавуцина и лассо-пептида. Установлено, что выраженную антивирусную активность против обоих штаммов гриппа А показал штамм B. bifidum 791, супернатант которого подавлял размножение вирусов in vitro до разведения 1:8, а клетки ингибировали репродукцию вирусов до концентрации 6·10⁶ КОЕ/мл.

Заключение. Анализ полных геномов B. longum 379, B. bifidum 1 и B. bifidum 791 показал особенности, обусловливающие их штаммоспецифические свойства, выводы о которых ранее делались эмпирически, на основе косвенных признаков. В геномах штаммов B. longum 379 и B. bifidum 791 в отличие от штамма B. bifidum 1 обнаружены ключевые ферменты синтеза триптофана и фолиевой кислоты. Эти вещества разносторонне влияют на организм человека, в том числе оказывают тимолептическое действие (снижение эмоционального напряжения, раздражительности, тревоги, устранение вялости, апатии, тоски, беспокойства) и регулируют когнитивную активность. Наличие в геноме штамма B. bifidum 791 детерминант, ответственных за синтез термостабильных бактериоцинов I типа, обусловливает его выраженную противовирусную активность.

1. Probiotics. Advanced food and health application. Brandelli A. (editor). Academic Press; 2021; 530 p.
2. Корниенко Е.А. Метаболическое действие микро­биоты и метабиотики. Русский медицинский журнал 2016; 18: 1196–1201.
3. Oleskin A.V., Shenderov B.A. Neuromodulatory effects, targets of the SCFAs and gasotransmitters produced by the human symbiotic microbiota. Microb Ecol Health Dis 2016; 27: 30971, https://doi.org/10.3402/mehd.v27.30971.
4. Oleskin A.V., Shenderov B.A. Probiotics and psychobiotics: the role of microbial neurochemicals. Probiotics Antimicrob Proteins 2019; 11(4): 1071–1085, https://doi.org/10.1007/s12602-019-09583-0.
5. Arena M.P., Elmastour F., Sane F., Drider D., Fiocco D., Spano G., Hober D. Inhibition of coxsackievirus B4 by Lactobacillus plantarum. Microbiol Res 2018; 210: 59–64, https://doi.org/10.1016/j.micres.2018.03.008.
6. Kim K., Lee G., Thanh H.D., Kim J.H., Konkit M., Yoon S., Park M., Yang S., Park E., Kim W. Exopolysaccharide from Lactobacillus plantarum LRCC5310 offers protection against rotavirus-induced diarrhea and regulates inflammatory response. J Dairy Sci 2018; 101(7): 5702–5712, https://doi.org/10.3168/jds.2017-14151.
7. Lei S., Ramesh A., Twitchell E., Wen K., Bui T., Weiss M., Yang X., Kocher J., Li G., Giri-Rachman E., Trang N.V., Jiang X., Ryan E.P., Yuan L. High protective efficacy of probiotics and rice bran against human norovirus infection and diarrhea in gnotobiotic pigs. Front Microbiol 2016; 7: 1699, https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.01699.
8. Majamaa H., Isolauri E., Saxelin M., Vesikari T. Lactic acid bacteria in the treatment of acute rotavirus gastroenteritis. J Pediatr Gastroenterol Nutr 1995; 20(3): 333–338, https://doi.org/10.1097/00005176-199504000-00012.
9. Soloveva I.V., Ilyicheva T.N., Marchenko V.Y., Pyankov O.V., Tochilina A.G., Belova I.V., Zhirnov V.A., Bormotov N.I., Skarnovich M.O., Durymanov A.G., Molodtsova S.B., Filippova E.I., Ovchinnikova A.S., Magerramova A.V., Ryzhikov A.B., Maksyutov R.A. Genome features and in vitro activity against influenza A and SARS-CoV-2 viruses of six probiotic strains. Biomed Res Int 2021; 2021: 6662027, https://doi.org/10.1155/2021/6662027.
10. Чеботарь И.В., Поликарпова С.В., Бочарова Ю.А., Маянский Н.А. Использование времяпролетной масс-спектрометрии с матрично-активированной лазерной десорбцией/ионизацией (MALDI-TОF MS) для идентификации бактериальных и грибковых возбудителей III–IV групп патогенности. Лабораторная служба 2018; 7(2): 78–86, https://doi.org/10.17116/labs20187278-86.
11. Соловьева И.В., Новикова Н.А., Точилина А.Г., Бе­ло­ва И.В., Кашников А.Ю., Сашина Т.А., Жирнов В.А., Мо­лодцова С.Б. Пробиотический штамм Lactobacillus fermentum 39: биохимические свойства, особенности генома, антивирусная активность. Микробиология 2021; 90(2): 215–222.
12. Seemann T. Prokka: rapid prokaryotic genome annotation. Bioinformatics 2014; 30(14): 2068‒2069, https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btu153.
13. Zankari E., Hasman H., Cosentino S., Vestergaard M., Rasmussen S., Lund O., Aarestrup F.M., Larsen M.V. Identification of acquired antimicrobial resistance genes. J Antimicrob Chemother 2012; 67(11): 2640–2644, https://doi.org/10.1093/jac/dks261.
14. Cosentino S., Voldby L.M., Moller A.F., Lund O. PathogenFinder — distinguishing friend from foe using bacterial whole genome sequence data. PLoS One 2013; 8(10): e77302, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077302.
15. Carattoli A., Zankari E., García-Fernández A., Voldby Larsen M., Lund O., Villa L., Møller Aarestrup F., Hasman H. In silico detection and typing of plasmids using PlasmidFinder and plasmid multilocus sequence typing. Antimicrob Agents Chemother 2014; 58(7): 3895–3903, https://doi.org/10.1128/aac.02412-14.
16. van Heel A.J., Kloosterman T.G., Montalban-Lopez M., Deng J., Plat A., Baudu B., Hendriks D., Moll G.N., Kuipers O.P. Discovery, production and modification of 5 novel lantibiotics using the promiscuous nisin modification machinery. ACS Synth Biol 2016; 5(10): 1146–1154, https://doi.org/10.1021/acssynbio.6b00033.
17. Rossi M., Amaretti A., Raimondi S. Folate production by probiotic bacteria. Nutrients 2011; 3(1): 118–134, https://doi.org/10.3390/nu3010118.
18. Gabris C., Bengelsdorf F.R., Dürre P. Analysis of the key enzymes of butyric and acetic acid fermentation in biogas reactors. Microb Biotechnol 2015; 8(5): 865–873, https://doi.org/10.1111/1751-7915.12299.
19. Prasirtsak B., Thitiprasert S., Tolieng V., Assabumrungrat S., Tanasupawat S., Thongchul N. D-Lactic acid fermentation performance and the enzyme activity of a novel bacterium Terrilactibacillus laevilacticus SK5–6. Ann Microbiol 2019; 69: 1537–1546.
20. Kang D.W., Ilhan Z.E., Isern N.G., Hoyt D.W., Howsmon D.P., Shaffer M., Lozupone C.A., Hahn J., Adams J.B., Krajmalnik-Brown R. Differences in fecal microbial metabolites and microbiota of children with autism spectrum disorders. Anaerobe 2018; 49: 121–131, https://doi.org/10.1016/j.anaerobe.2017.12.007.
21. Vlasenko V.A., Ilyicheva T.N., Teplyakova T.V., Svyatchenko S.V., Asbaganov S.V., Zmitrovich I.V., Vlasenko A.V. Antiviral activity of total polysaccharide fraction of water and ethanol extracts of Pleurotus pulmonarius against the influenza A virus. Curr Res Environ Appl Mycol 2020; 10(1): 224–235, https://doi.org/10.5943/cream/10/1/22.
22. Morita N., Umemoto E., Fujita S., Hayashi A., Kikuta J., Kimura I., Haneda T., Imai T., Inoue A., Mimuro H., Maeda Y., Kayama H., Okumura R., Aoki J., Okada N., Kida T., Ishii M., Nabeshima R., Takeda K. GPR31-dependent dendrite protrusion of intestinal CX3CR1+ cells by bacterial metabolites. Nature 2019; 566(7742): 110–114, https://doi.org/10.1038/s41586-019-0884-1.
23. Ермоленко Е.И., Суворов А.Н., Фураева В.А. Про­ти­во­вирусный эффект in vitro метаболитов, выделяемых культурами энтерококка и лактобацилл. В сб.: Материалы VI Российского съезда врачей инфекционистов. М; 2003; с. 371.
24. El Kfoury K.A., Romond M.B., Scuotto A., Alidjinou E.K., Dabboussi F., Hamze M., Engelmann L., Sane F., Hober D. Bifidobacteria-derived lipoproteins inhibit infection with coxsackievirus B4 in vitro. Int J Antimicrob Agents 2017; 50(2): 177–185, https://doi.org/10.1016/j.ijantimicag.2017.03.010.
25. Kang J.Y., Lee D.K., Ha N.J., Shin H.S. Antiviral effects of Lactobacillus ruminis SPM0211 and Bifidobacterium longum SPM1205 and SPM1206 on rotavirus-infected Caco-2 cells and a neonatal mouse model. J Microbiol 2015; 53(11): 796–803, https://doi.org/10.1007/s12275-015-5302-2.
26. Olaya Galán N.N., Ulloa Rubiano J.C., Velez Reyes F.A., Fernandez Duarte K.P., Salas Cárdenas S.P., Gutierrez Fernandez M.F. In vitro antiviral activity of Lactobacillus casei and Bifidobacterium adolescentis against rotavirus infection monitored by NSP4 protein production. J Appl Microbiol 2016; 120(4): 1041–1051, https://doi.org/10.1111/jam.13069.
27. Lu W., Pei Z., Zang M., Zhao J., Chen W., Wang H., Zhang H. Comparative genomic analysis of Bifidobacterium bifidum strains isolated from different niches. Genes (Basel) 2021; 12(10): 1504, https://doi.org/10.3390/genes12101504.
28. Tiwari S.K., Dicks L.M.T., Popov I.V., Karaseva A., Ermakov A.M., Suvorov A., Tagg J.R., Weeks R., Chikindas M.L. Probiotics at war against viruses: what is missing from the picture? Front Microbiol 2020; 11: 1877, https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.01877.
29. Alvarez-Sieiro P., Montalbán-López M., Mu D., Kuipers O.P. Bacteriocins of lactic acid bacteria: extending the family. Appl Microbiol Biotechnol 2016; 100(7): 2939–2951, https://doi.org/10.1007/s00253-016-7343-9.
30. Maksimov M.O., Pan S.J., James Link A. Lasso peptides: structure, function, biosynthesis, and engineering. Nat Prod Rep 2012; 29(9): 996–1006, https://doi.org/10.1039/c2np20070h.

Tochilina A.G., Belova I.V., Ilyicheva T.N., Marchenko V.Yu., Zhirnov V.A., Molodtsova S.B., Ikonnikov A.V., Muhkina I.V., Blagonravova A.S., Soloveva I.V. Genome Features of Probiotic Bifidobacteria Determining Their Strain-Specific Properties. Sovremennye tehnologii v medicine 2022; 14(5): 36, https://doi.org/10.17691/stm2022.14.5.04