Геномика и эксперименты с синтетическими сообществами раскрывают ключевые метаболические роли уксуснокислых бактерий в микробиомах заквасок (аннотация)Геномика и эксперименты с синтетическими сообществами раскрывают ключевые метаболические роли уксуснокислых бактерий в микробиомах заквасок
В то время как исследования микробиома заквасок были сосредоточены в основном на молочнокислых бактериях (МКБ) и дрожжах, недавние исследования показали, что уксуснокислые бактерии (УБК) также являются важным членом микробиома многих ферментированных продуктов.
Они относятся к классу Alphaproteobacteria, порядку Rhodospirillales и семейству Acetobacteraceae, в котором в настоящее время описано более 100 видов, относящихся к 19 родам. Эта группа хорошо известна благодаря ферментации уксуса [Acetobacter pasteurianus], комбучи [Komagataeibacter spp], пива сортов ламбик [Acetobacter lambici], кефира [Acetobacter sicerae] и какао [A. pasteurianus коммерчески и Acetobacter ghanensis/senegalensis спонтанно].
В целом УКБ подкисляют ламбиковое пиво и уксус, придают вкус, препятствуют прорастанию какао-бобов и производят целлюлозный компонент симбиотической культуры бактерий и дрожжей (SCOBY) в комбуче. УКБ также выделяют множество метаболических продуктов, которые находят применение в пищевой, косметической, медицинской и других отраслях промышленности. Эти продукты, включая уксусную кислоту (кислый вкус и противомикробное средство), DHA (дигидроксиацетон; распространенный ингредиент солнцезащитных средств) и ацетоин (маслоподобный вкус), образуются в результате окислительной ферментации сахаров и спиртов. УКБ также обнаружены в кишечнике насекомых, в том числе плодовых мушек и пчел, а также в цветах и фруктах, которые являются средой, богатой сахаром. Адаптация к этой богатой сахаром среде, возможно, способствовала успеху в производстве ферментированных продуктов и напитков.
Несмотря на их общепризнанную важность, понимание экологии УКБ ограничено. Одной из систем, где УКБ, вероятно, важны, но в основном остаются без внимания, являются закваски, которые мы для краткости называем «закваской». Большая часть исследований микробиома закваски была сосредоточена на дрожжах и молочнокислых бактериях (МКБ). Этих двух функциональных групп достаточно для создания закваски, хотя микробиомы заквасок часто более разнообразны, включают от 3 до 10 видов и содержат другие микробы, помимо МКБ и дрожжей. Метод «обратного наклона», используемый при созревании и содержании заквасок, позволяет видам с низкой численностью доминировать и колонизировать новые виды, но факторы, позволяющие дополнительным группам сохраняться, неясны. Например, недавние работы показали, что УКБ часто встречаются в закваске, но важность и функции УКБ в закваске также остаются не выясненными.
Несколько исследований начали изучать функциональную роль УКБ в закваске, но геномные и метаболические характеристики УКБ были ограничены другими средами, включая кишечник насекомых и уксус. Любительские эксперименты с дикими заквасками позволяют предположить, что УКБ могут влиять на подъем и аромат теста, но контролируемое экспериментальное подтверждение ограничено. Известно, что штамм Acetobacter tropicalis влияет на свойства китайского хлеба на пару. Li et al. обнаружили, что закваски с добавлением УКБ имели самый низкий рН, самую высокую вязкость и эластичность, а также отличались большим разнообразием вкусовых соединений, чем хлеб с дрожжами и МКБ или только с дрожжами. Аналогичным образом, добавление в тесто экстрагированных экзополисахаридов (леванов и фруктонов) из УКБ приводило к тому, что хлеб был мягче и имел больший объем, что еще раз указывает на то, что соединения, выделяемые УКБ, могут влиять на возникающие свойства закваски. Однако сведения о подавляющем большинстве экологически и функционально разнообразных ААВ остаются ограниченными.
Помимо их экономического и культурного значения, УКБ в закваске также представляют собой возможность для изучения экологических последствий геномных и штаммовых различий в микробиомах. Хотя из сравнительной геномики и метагеномики ясно, что внутривидовое разнообразие существует во многих микробиомах, все еще удивительно мало исследований, в которых экспериментально манипулировали бы штаммовым разнообразием, чтобы понять, как оно влияет на состав и функции микробиома. Прошлые исследования, изучающие роль вариаций на внутривидовом уровне, показали, что различия на уровне штаммов связаны с составом микробного сообщества и функциональными признаками, а несколько штаммов могут сосуществовать в среде благодаря полиморфизму на уровне нескольких ниш.
Будучи членами микробиомов в широком диапазоне сред - от заквасок до насекомых, УКБ могут быть универсальными, но давление экологического отбора могло привести к внутривидовой диверсификации. Также неясно, насколько велико разнообразие штаммов внутри видов УКБ в закваске и других средах и как это разнообразие способствует изменению возникающих функций микробиомов. Понимание функциональной значимости видового и штаммового разнообразия УКБ может помочь найти новые подходы к управлению функциями заквасок и других микробиомов с преобладанием УКБ.
Чтобы изучить экологическую и функциональную роль УКБ на разных уровнях генетического сходства в микробиомах заквасок, мы выделили доминирующие таксоны УКБ из разнообразной коллекции из 500 заквасок, предоставленных учеными со всего мира. В этой коллекции был представлен 21 штамм 11 видов, относящихся к двум родам. Мы получили высококачественные предварительные геномы всех изолятов, а также восемь собранных метагеномных геномов (MAGs), чтобы охарактеризовать метаболические пути и различия в содержании генов. Мы оценили, обогащены ли определенные функции в геномах закваски УКБ по сравнению с геномами из других сред, в целом по всем УКБ и внутри видовых кластеров.
Мы также использовали нашу коллекцию изолятов УКБ из заквасок для экспериментального определения функций различных УКБ в микробиоме закваски. Создавая синтетические заквасочные сообщества с различными штаммами УКБ и без них, мы измеряли ключевые возникающие свойства, такие как кислотность и производство метаболитов. При этом ожидалось, что все УКБ будут снижать рН заквасок благодаря хорошо изученной продукции уксусной кислоты, и мы прогнозировали, что рН будет варьировать в зависимости от штамма на основе соответствующих изменений в производстве уксусной кислоты и требований к росту. Предыдущие исследования показали, что численность УКБ сильно коррелирует с вариациями летучих соединений в закваске, однако степень различия конкретных метаболитов у разных штаммов и видов УКБ остается неясной.
В совокупности в нашей работе экспериментально определены последствия влияния на функции микробиома не замеченной, но функционально важной группы микробов в заквасках - уксуснокислых бактерий. Данное исследование представляет собой комплексный геномный и экологический обзор УКБ, выделенных из заквасок.Чтобы оценить влияние УКБ на эмерджентные функции микробиомов заквасок, мы сконструировали синтетические микробиомы заквасок, варьируя только включенный в них тот ли иной штамм УКБ. Все штаммы УКБ увеличивали кислотность синтетических заквасок по сравнению с дрожжами и МКБ в среднем на 18,5%. Разные штаммы УКБ оказывали различное влияние на профиль летучих веществ синтетической закваски.
Сочетая сравнительную геномику с манипуляционными экспериментами с использованием синтетических микробиомов, мы показали, что даже штаммы со средней нуклеотидной идентичностью >97% могут изменять важные функции микробиома, что подчеркивает важность видового и штаммового разнообразия в микробных системах. Мы также продемонстрировали полезность заквасок в качестве модельной системы для понимания последствий геномного разнообразия на уровне штаммов и видов для многовидовых сообществ. Полученные результаты важны для промышленных и домашних производителей, поскольку мы раскрываем роль УКБ в формировании свойств заквасок, которые оказывают непосредственное влияние на сенсорные оттенки и качество продуктов.
