Tae-Rim Choi;Suk Jin Oh;Jeong Hyeon Hwang;Hyun Jin Kim;Nara Shin;Jeonghee Yun;Sang-Ho Lee;Shashi Kant Bhatia;Yung-Hun Yang
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.33
no.6
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pp.724-735
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2023
NdgR, a global regulator in soil-dwelling and antibiotic-producing Streptomyces, is known to regulate branched-chain amino acid metabolism by binding to the upstream region of synthetic genes. However, its numerous and complex roles are not yet fully understood. To more fully reveal the function of NdgR, phospholipid fatty acid (PLFA) analysis with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) was used to assess the effects of an ndgR deletion mutant of Streptomyces coelicolor. The deletion of ndgR was found to decrease the levels of isoleucine- and leucine-related fatty acids but increase those of valine-related fatty acids. Furthermore, the defects in leucine and isoleucine metabolism caused by the deletion impaired the growth of Streptomyces at low temperatures. Supplementation of leucine and isoleucine, however, could complement this defect under cold shock condition. NdgR was thus shown to be involved in the control of branched-chain amino acids and consequently affected the membrane fatty acid composition in Streptomyces. While isoleucine and valine could be synthesized by the same enzymes (IlvB/N, IlvC, IlvD, and IlvE), ndgR deletion did not affect them in the same way. This suggests that NdgR is involved in the upper isoleucine and valine pathways, or that its control over them differs in some respect.
Objective: An experiment was conducted to determine the effects of L-arginine (L-Arg) and N-carbamoylglutamic acid (NCG) on the growth, metabolism, immunity and community of cecal bacterial flora of weanling and young rabbits. Methods: Eighteen normal-grade male weanling Japanese White rabbits (JWR) were selected and randomly divided into 6 groups with or without L-Arg and NCG supplementation. The whole feeding process was divided into weanling stage (day 37 to 65) and young stage (day 66 to 85). The effects of L-Arg and NCG on the growth, metabolism, immunity and development of the ileum and jejunum were compared via nutrient metabolism experiments and histological assessment. The different communities of cecal bacterial flora affected by L-Arg and NCG were assessed using high-throughput sequencing technology and bioinformatics analysis. Results: The addition of L-Arg and NCG enhanced the growth of weanling and young rabbit by increasing the nitrogen metabolism, protein efficiency ratio, and biological value, as well as feed intake and daily weight gain. Both L-Arg and NCG increased the concentration of immunoglobulin A (IgA), IgM, and IgG. NCG was superior to L-Arg in promoting intestinal villus development by increasing villus height, villus height/crypt depth index, and reducing the crypt depth. The effects of L-Arg and NCG on the cecal bacterial flora were mainly concentrated in different genera, including Parabacteroides, Roseburia, dgA-11_gut_group, Alistipes, Bacteroides, and Ruminococcaceae_UCG-005. These bacteria function mainly in amino acid transport and metabolism, energy production and conversion, lipid transport and metabolism, recombination and repair, cell cycle control, cell division, and cell motility. Conclusion: L-Arg and NCG can promote the growth and immunity of weanling and young JWR, as well as effecting the jejunum and ileum villi. L-Arg and NCG have different effects in the promotion of nutrient utilization, relieving inflammation and enhancing adaptability through regulating microbial community.
The biocontrol rhizobacterium Pseudomonas sp. M18 can produce two kinds of antibiotics, namely pyoluteorin (Plt) and phenazine-1-carboxylic acid (PCA), and is antagonistic against a number of soilborne phytopathogens. In this study, a luxR-type quorum-sensing regulatory gene, vqsR, was identified and characterized immediately downstream of the Plt gene cluster in strain MI8. A vqsR-inactivated mutant led to a significant decrease in the production of Plt and its biosynthetic gene expression. However, this was restored when introducing the vqsR gene by cloning into the plasmid pME6032 in trans. The vqsR mutation did not exert any obvious influence on the production of PCA and its biosynthetic gene expression and the production of N-acylhomoserine lactones (C4 and C8-HSLs) and their biosynthetic gene rhlI expression. Accordingly, these results introduce VqsR as a regulator of Plt production in Pseudomonas spp., and suggest that the regulatory mechanism of vqsR in strain M18 is distinct from that in P. aeruginosa. In addition, it was demonstrated that vqsR mutation did not have any obvious impact on the expression of Plt-specific ABC transporters and other secondary metabolic global regulators, including GacA, RpoS, and RsmA.
Cheonggukjang is a traditional fermented food in Korea, which is known to exert beneficial effects on health. In this study, we evaluated the effects of cheonggukjang fermented by Bacillus subtilis SCGB 574 (B574) on high fat diet (HFD)-deteriorated large intestinal health. Rats were fed with HFD or HFD supplemented with 10.1% cheonggukjang (B574). Fecal microbiota was analyzed based on 16S rRNA gene sequences, and the fecal and serum metabolome were measured using GC-MS. Our results showed that SCGB574 intake significantly reduced body weight, restored tight junction components, and ameliorated inflammatory cell infiltration. SCGB574 also shifted gut microbiota by increasing the abundance of short chain fatty acid producers such as Alistipes and Flintibacter, although it decreased the abundance of Lactobacillus. Serum and fecal metabolome analyses showed significantly different metabolic profiles between the groups. The top five metabolites increased by SCGB574 were i) arginine biosynthesis, ii) alanine, aspartate, and glutamate metabolism; iii) starch and sucrose metabolism; iv) neomycin, kanamycin, and gentamicin biosynthesis; and v) galactose metabolism. These results showed that cheonggukjang fermented by SCGB574 ameliorates adverse effects of HFD through improving intestinal health.
The effect of dissolved oxygen concentration on the metabolism of glucose in Pseudomonas putida BM014 was investigated. Glucose was completely converted to 2-ketogluconate via extracellular oxidative pathway and then taken up for cell growth under the condition of sufficient dissolved oxygen concentration. On the other hand, oxygen limitation below dissolved oxygen tension (DOT) value of 20% of air saturation caused the shift of glucose metabolism from the extracellular oxidative pathway to the intracellular phosphorylative pathway. Specific activities of hexokinase and gluconate kinase in intracellular phosphorylation pathway decreased as the DOT increased, while 2-ketogluconokinase activity in extracellular oxidative pathway increased under the same condition. This result can be usefully applied to microbial transformation of glucose to 2-ketogluconate, the synthetic precursor for iso-vitamine C, with almost 100% yield via extracellular oxidation by simple DOT control.
Microbial dysbiosis in the gut is associated with human diseases, and variations in mucus alter gut microbiota. Therefore, we explored the effects of mucin on the gut microbiota using a community of 19 synthetic gut microbial species. Cultivation of these species in modified Gifu anaerobic medium (GAM) supplemented with mucin before synthetic community assembly facilitated substantial growth of the Bacteroides, Akkermansia, and Clostridium genera. The results of 16S rRNA microbial relative abundance profiling revealed more of the beneficial microbes Collinsella, Bifidobacterium, Ruminococcus, and Lactobacillus. This increased acetate levels in the community cultivated with, rather than without (control), mucin. We identified differences in predicted cell function and metabolism between microbes cultivated in GAM with and without mucin. Mucin not only changed the composition of the gut microbial community, but also modulated metabolic functions, indicating that it could help to modulate microbial changes associated with human diseases.
The modern era of microbial genome analysis began in earnest in the 2000s with the generalization of metagenomics and gene sequencing techniques. Studying complex microbial community such as oral cavity and colon by a pure culture is considerably ineffective in terms of cost and time. Therefore, various techniques for genomic analysis have been developed to overcome the limitation of the culture method and to explore microbial communities existing in the natural environment at the gene level. Among these, DNA fingerprinting analysis and microarray chip have been used extensively; however, the most recent method of analysis is metagenomics. The study summarily examined the overview of metagenomics analysis techniques, as well as domestic and foreign studies on disease genomics and cluster analysis related to oral metagenome. The composition of oral bacteria also varies across different individuals, and it would become possible to analyze what change occurs in the human body depending on the activity of bacteria living in the oral cavity and what causality it has with diseases. Identification, isolation, metabolism, and presence of functional genes of microorganisms are being identified for correlation analysis based on oral microbial genome sequencing. For precise diagnosis and treatment of diseases based on microbiome, greater effort is needed for finding not only the causative microorganisms, but also indicators at gene level. Up to now, oral microbial studies have mostly involved metagenomics, but if metatranscriptomic, metaproteomic, and metabolomic approaches can be taken together for assessment of microbial genes and proteins that are expressed under specific conditions, then doing so can be more helpful for gaining comprehensive understanding.
Peptides are formed in the rumen as the result of microbial proteinase activity. The predominant type of activity is cysteine ptoteinase, but others, such as serine proteinases, are also present. Many species of protozoa, bacteria and fungi are involved in ptoteolysis; large animal-to-animal variability is found when proteinase activities in different animals are compared. The peptides formed from proteolysis are broken down to amino acids by peptidases. Different peptides are broken down at different rates, depending on their chemical composition and particularly their N-terminal structure. Indeed, chemical addition to the N-terminus of small peptides, such as by acetylation, causes the peptides to become stable to breakdown by the rumen microbial population; the microorganisms do not appear to adapt to hydrolyse acetylated peptides even after several weeks exposure to dietary acetylated peptides, and the amino acids present in acetylated peptides are absorbed from the small intestine. The amino acids present in some acetylated peptides remain available in nutritional trials with rats, but the nutritive value of the whole amino acid mixture is decreased by acetylation. The genus Prevotella is responsible for most of the catabolic peptidase activity in the rumen, via its dipeptidyl peptidase activities, which release dipeptides rather than free amino acids from the N-terminus of oligopeptides. Studies with dipeptidyl peptidase mutants of Prevotella suggest that it may be possible to slow the rate of peptide hydrolysis by the mixed rumen microbial population by inhibiting dipeptidyl peptidase activity of Prevotella or the rate of peptide uptake by this genus. Peptides and amino acids also stimulate the growth of rumen microorganisms, and are necessary for optimal growth rates of many species growing on tapidly fermented substrates; in rich medium, most bacteria use pre-formed amino acids for more than 90% of their amino acid requirements. Cellulolytic species are exceptional in this respect, but they still incorporate about half of their cell N from pre-formed amino acids in rich medium. However, the extent to which bacteria use ammonia vs. peptides and amino acids for protein synthesis also depends on the concentrations of each, such that preformed amino acids and peptides are probably used to a much lesser extent in vivo than many in vitro experiments might suggest.
Two in vivo experiments were conducted to evaluate the effect of novel urease inhibitor hydroquinone (HQ) on ammonia release rate from urea hydrolysis, nitrogen balance, nutrient digestibility and efficiency of microbial protein synthesis. In Exp. 1, twelve crossbred cannulated lambs were randomly assigned within initial body weight block to one of four HQ treatments, which included 0 (control), 30, 60 or 80 mg HQ/kg DM intake. Ammonia concentration and pH of ruminal fluid were immediately measured at 0, 2, 4, 6 and 8 h after feeding. Increasing the dose of HQ tended (p<0.15) to linearly decrease NH3 formation. The ammonia peak concentration (2 h post-feeding) in animals receiving HQ was approximately one-half of that in animals not receiving HQ (p<0.01), and a relatively sustained ammonia release could be obtained at the dose of 30 or 60 mg HQ/kg DM. In Exp. 2, sixteen intact crossbred lambs (weight $40{\pm}0.8kg$) were used in a $2{\times}2$ factorial design experiment. The four rations consisting of soybean meal-based (SBM) or urea-based (Urea) nitrogen source with or without HQ (S1, S0, U1 and U0) were fed in digestion and N balance trials. Apparent digestibility of major nutrients except that of ADF was not affected by either nitrogen source or addition of HQ. Regardless of nitrogen source, supplementation of HQ significantly improved ADF digestibility (p<0.05). The various ration had no effects on N metabolism in the presence of HQ. There was significant difference between total purine derivatives (PD), estimated efficiency of microbial N synthesis (p<0.05) and urea-N excretion (p<0.01) in the urine for the SBM ration and for the Urea ration. However, HQ had little influence on efficiency of microbial N synthesis as proportion of daily intake of total tract digestible OM (p>0.05). No interactions between main nitrogen source and HQ were measured throughout the trial. Results of this study suggest that addition of HQ to ration may improve ADF digestion with having no negative effect on N metabolism and microbial protein production.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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