DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2023.1324396
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38239921
تاريخ النشر: 2024-01-04
المؤلف: Tom Zaplana وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحفيز الإنزيمات وتثبيتها
نظرة عامة
تعتبر عائلة Lachnospiraceae، التي تتكون من بكتيريا لاهوائية ضمن فئة Clostridia، واعدة بشكل كبير لتعزيز الاقتصاد الحيوي وتطوير العلاجات المعوية. بعض الأنواع داخل هذه العائلة قادرة على تحويل المواد الخام منخفضة التكلفة، مثل اللجنين والسليلوز وثاني أكسيد الكربون، إلى مواد كيميائية قيمة. بالإضافة إلى ذلك، تلعب دورًا حيويًا في القولون البشري ورمينة الحيوانات من خلال تخمير الألياف الغذائية، مما يدعم صحة الأمعاء ووظيفة المناعة.
تستعرض هذه القسم الأبحاث الحديثة حول الفسيولوجيا، والزراعة، وعلم الوراثة لعائلة Lachnospiraceae، مع التركيز على استخداماتها المتنوعة للركائز والتطبيقات الصناعية لمنتجاتها الأيضية. كما تستكشف إمكانياتها كمنتجات حيوية علاجية (LBPs)، موضحة نماذج الأمراض في الجسم التجريبي والتجارب السريرية التي تهدف إلى علاج حالات مثل العدوى، والالتهاب، ومتلازمة الأيض، والسرطان. تشمل المجالات البحثية الرئيسية المحددة التحقيق في التنوع داخل الأنواع والتعديل الجيني لسلالات المرشحة، والتي تعتبر ضرورية للاستفادة من Lachnospiraceae في السياقات الصناعية والطبية.
مقدمة
تعتبر عائلة Lachnospiraceae، التي تتميز بأنها لاهوائية، متوسطة الحرارة، وبكتيريا موجبة الجرام، تلعب دورًا مهمًا في نظم بيئية متنوعة، خاصة داخل القنوات الهضمية لمضيفين متنوعين، بما في ذلك البشر، والفئران، والحشرات، والمجترات. تشير التحليلات الميتاجينومية إلى أن هذه البكتيريا تشكل 10%-45% من إجمالي عدد البكتيريا في براز البالغين الأصحاء، وهي ضرورية لاستعمار الأمعاء من الطفولة حتى الشيخوخة. بالإضافة إلى وجودها في البيئات المرتبطة بالمضيف، توجد Lachnospiraceae أيضًا في التربة اللاهوائية، والرواسب المائية، والموائل القاسية، حيث تساهم في العمليات البيئية مثل إعادة تدوير المواد النباتية ومكافحة الآفات البيولوجية.
أثارت التطورات الأخيرة في علم الجينوم وزراعة Lachnospiraceae اهتمامًا في تطبيقاتها المحتملة في التكنولوجيا الحيوية الصناعية والطبية. بينما ربطت الدراسات الميتاجينومية هذه البكتيريا بصحة الإنسان، يمكن أن تكون تفسيرات هذه الروابط معقدة بسبب التباين في تصاميم الدراسات وخصائص السلالات المحددة. لذلك، تؤكد هذه الورقة على النتائج المستخلصة من نماذج القوارض قبل السريرية والتجارب السريرية البشرية التي تشمل Lachnospiraceae الحية، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من تطوير هذه البكتيريا لإنتاج المواد الكيميائية ذات القيمة المضافة وكمنتجات حيوية علاجية (LBPs).
نقاش
تناقش هذه القسم التقدم الكبير في فهم تنوع Lachnospiraceae، وعلم الجينوم، وأدوارها البيئية على مدار العقد الماضي. لقد زاد عدد الأجناس المعترف بها ضمن هذه العائلة من 24 في عام 2014 إلى 118 بحلول عام 2023، مع زيادة متCorresponding في تسلسل الجينوم من 30 إلى 201. تظهر الجينومات محتوى GC يتراوح بين 35% إلى 50%، وتختلف أحجام هذه الجينومات، حيث أن أصغرها يبلغ 2.6 ميغابايت وأكبرها 7.2 ميغابايت. من الجدير بالذكر أن الأنواع غير المرتبطة بالمضيف تميل إلى أن يكون لديها عدد أكبر من جينات 16S rRNA، مما يشير إلى اختيار الصفات التي تعزز معدلات النمو والتكيف مع الموارد.
تعتبر Lachnospiraceae المحللات الأساسية للكتلة الحيوية النباتية، قادرة على استقلاب مجموعة متنوعة من السكريات المتعددة وإنتاج منتجات تخمير كبيرة، بما في ذلك الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة (SCFAs) مثل الأسيتات، والبروبيونات، والبيوتيرات، والتي تفيد صحة الإنسان. تتيح لها مرونتها الأيضية استخدام ركائز متنوعة، وهي متورطة في تفاعلات بيئية مختلفة، مثل التغذية المتبادلة داخل الميكروبات المعوية. علاوة على ذلك، يتم تسليط الضوء على التطبيقات المحتملة لـ Lachnospiraceae في الاقتصاد الحيوي والسياقات العلاجية، بما في ذلك دورها في تحويل المواد الخام اللجنينية السليلوزية إلى مواد كيميائية قيمة وفوائدها العلاجية في النماذج قبل السريرية لصحة الأمعاء، ومتلازمة الأيض، وعلاج السرطان. تجري التجارب السريرية لاستكشاف فعاليتها كمنتجات حيوية علاجية للحالات مثل العدوى المتكررة بـ Clostridioides difficile.
DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2023.1324396
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38239921
Publication Date: 2024-01-04
Author(s): Tom Zaplana et al.
Primary Topic: Enzyme Catalysis and Immobilization
Overview
The Lachnospiraceae family, comprising anaerobic bacteria within the Clostridia class, holds significant promise for enhancing the bio-economy and developing intestinal therapeutics. Certain species within this family are capable of converting low-cost feedstocks, such as lignocellulose and carbon dioxide, into valuable chemicals. Additionally, they play a crucial role in the human colon and animal rumen by fermenting dietary fiber, which supports gut health and immune function.
This section reviews recent research on the physiology, cultivation, and genetics of Lachnospiraceae, emphasizing their diverse substrate utilization and the industrial applications of their metabolic products. It also explores their potential as Live Biotherapeutic Products (LBPs), detailing in vivo disease models and clinical trials aimed at treating conditions such as infection, inflammation, metabolic syndrome, and cancer. Key research areas identified include the investigation of intra-specific diversity and the genetic modification of candidate strains, which are essential for leveraging Lachnospiraceae in both industrial and medical contexts.
Introduction
The Lachnospiraceae family, characterized as anaerobic, mesophilic, and Gram-positive bacteria, plays a significant role in various ecosystems, particularly within the gastrointestinal tracts of diverse hosts, including humans, mice, insects, and ruminants. Metagenomic analyses indicate that these bacteria constitute 10%-45% of the total bacterial population in the feces of healthy adults and are crucial for gut colonization from infancy through advanced age. Beyond their presence in host-associated environments, Lachnospiraceae are also found in anaerobic soils, aquatic sediments, and extreme habitats, where they contribute to ecological processes such as plant matter recycling and biological pest control.
Recent advancements in the genomics and cultivation of Lachnospiraceae have sparked interest in their potential applications in industrial and medical biotechnology. While metagenomic studies have linked these bacteria to human health, interpretations of these associations can be complex due to variability in study designs and strain-specific characteristics. Therefore, this paper emphasizes findings from preclinical rodent models and human clinical trials involving live Lachnospiraceae, highlighting the need for further development of these bacteria for producing value-added biochemicals and as live biotherapeutic products (LBPs).
Discussion
The section discusses the significant advancements in the understanding of Lachnospiraceae diversity, genomics, and their ecological roles over the past decade. The number of recognized genera within this family has expanded from 24 in 2014 to 118 by 2023, with a corresponding increase in genome sequences from 30 to 201. The genomes exhibit a GC content ranging from 35% to 50%, and the sizes of these genomes vary, with the smallest being 2.6 Mb and the largest at 7.2 Mb. Notably, non-host species tend to have a higher number of 16S rRNA genes, suggesting a selection for traits that enhance growth rates and resource adaptability.
Lachnospiraceae are primary degraders of plant biomass, capable of metabolizing a variety of polysaccharides and producing significant fermentation products, including short-chain fatty acids (SCFAs) like acetate, propionate, and butyrate, which are beneficial for human health. Their metabolic versatility allows them to utilize diverse substrates, and they are implicated in various ecological interactions, such as cross-feeding within gut microbiomes. Furthermore, the potential applications of Lachnospiraceae in bioeconomy and therapeutic contexts are highlighted, including their role in converting lignocellulosic feedstocks into valuable biochemicals and their therapeutic benefits in preclinical models for gut health, metabolic syndrome, and cancer treatment. Clinical trials are underway to explore their efficacy as live biotherapeutic products for conditions like recurrent Clostridioides difficile infections.