Isolation, Functional Characterization and Biotechnological Applications of Glycoside Hydrolases from the Intestinal Microbiota of Breastfed Infants

Abstract

[ES] Los oligosacáridos de la leche humana (OLHs) y la parte glicana de los glicoconjugados son hidrolizados por las glicosil hidrolasas (GHs), las cuales son expresadas por la microbiota intestinal de niños lactantes promoviendo el establecimiento de una microbiota intestinal con beneficios para su salud. El objetivo de esta Tesis Doctoral consistió en la caracterización funcional de GHs de la microbiota intestinal de niños lactantes capaces de metabolizar OLHs y glicoconjugados, y el estudio de su relevancia biológica y su potencial biotecnológico. Se aislaron cepas bacterianas a partir de heces de niños lactantes.Solo las cepas del género Bifidobacterium metabolizaron alguno de los OLHs testados. Bifidobacterium infantis Y538 consumió eficientemente todos los OLHs testados, mientras que las dos cepas de Bifidobacterium dentium Y510 y Y521 solo metabolizaron lacto-N-tetraosa (LNT) y lacto-N-neotetraosa (LNnT). Se caracterizaron dos ß-galactosidasas de B. dentium Y510; Bdg42A mostró la mayor actividad en LNT, hidrolizándolo en galactosa y lacto-N-triosa (LNTII), mientras que Bdg2A mostró actividad contra lactosa, 6'-galactopiranósil-N-acetilglucosamina, N-acetillactosamina y LNnT. También se aislaron cepas bacterianas con actividad glicosidasa extracelular de las heces de lactantes. B. infantis E17 y E18, y Enterococcus faecalis E8 y E41 exhibieron actividad de endo-ß-N-acetilglucosaminidasa, liberando N-glicanos de glicoproteínas. La endo-ß-N-acetilglucosaminidasa EndoE de E. faecalis E8 deglicosiló eficientemente la proteína S1 del coronavirus 2 del síndrome respiratorio agudo severo (SARS-CoV-2). Tanto la EndoE silvestre como un mutante catalíticamente inactive mostraron actividad lectina frente a la proteína S1 y actividad neutralizante frente a la infección de un virus pseudotipado que presenta la proteína S de SARS-CoV-2 expresada. También se identificaron GHs putativas a través del análisis metagenómico de las heces de niños lactantes, pertenecientes a los géneros Bifidobacterium, Bacteroides, Ruminococcus, Actinomyces, Klebsiella, Phocaeicola y Streptococcus. Se seleccionaron diez ¿-L-fucosidasas GH29 (Fuc18, Fuc19A, Fuc30, Fuc35A, Fuc35B, Fuc39, Fuc193, Fuc1584, Fuc2358 y Fuc5372). Las ¿-L-fucosidasas Fuc18, Fuc19A, Fuc35B, Fuc39 y Fuc1584 mostraron actividad hidrolítica frente a enlaces de fucosa ¿-1,3/4 y Fuc35A, Fuc193 y Fuc2358 mostraron actividad enlaces de fucosa ¿-1,2/3/4/6. Fuc30 mostró actividad sobre la enlaces de fucosa ¿-1,6 mientras que Fuc5372 mostró preferencia por los enlaces ¿-1,2. Fuc2358 mostró actividad frente a glicoconjugados con lacto-N-fucopentaosa II, lacto-N-fucopentaosa III y contra la mucina. Fuc18, Fuc19A y Fuc39 eliminaron fucosa de neoglicoproteínas y de la glicoproteína ¿-1 ácida. Las ¿-L-fucosidasas aisladas fueron evaluadas por su capacidad para sintetizar fucosil-oligosacáridos (FUS) a través de reacciones de transfucosilación. Fuc2358 produjo rendimientos del 35% de 2'-fucosillactosa (2'FL) y también 3'-fucosillactosa (3'FL) y 1-fucosillactosa (1FL). Fuc5372 sintetizó 2'FL, 3'FL y 1FL, con una proporción más alta de 3'FL. Se llevó a cabo mutagénesis dirigida para aumentar los rendimientos de transfucosilación. Los mutantes Fuc2358-H132F, Fuc2358-F184H, Fuc2358-R301Q, Fuc2358-K286R y Fuc5372-R230K mostraron una mayor relación entre la 2'FL producida y el pNP-Fuc hidrolizado que sus respectivas enzimas silvestres. Además, se observó que los residuos F184 de Fuc2358 y W151 de Fuc5378 afectan a la regioselectividad de la transfucosilación, la fenilalanina aumentando la selectividad por los enlaces ¿-1,2 y el triptófano aumentando la selectividad por los enlaces ¿-1,3. Los resultados presentados muestran la diversidad de GHs presentes en la microbiota intestinal de niños lactantes y expanden el conocimiento sobre su especificidad, contribuyendo al conocimiento del posible papel de las GHs en la colonización bacteriana del tracto gastrointestinal y, además, muestra su potencial biotecnológico

[CA] Els oligosacàrids de la llet humana (OLHs) i la part glicana de glicoconjugats són hidrolitzats per les glicosil hidrolases (GHs), les quals són expressades per la microbiota intestinal de xiquets lactants, promovent l'establiment d'una microbiota intestinal amb beneficis per a la seua salut. L'objectiu d'aquesta Tesi Doctoral va ser la caracterització funcional de GHs de la microbiota intestinal de xiquets lactants capaços de metabolitzar OLHs i glicoconjugats i l'estudi de la seua rellevància biològica i el seu potencial biotecnològic. Es van aïllar soques bacterianes a partir de les femtes de xiquets lactants. Només els soques del gènere Bifidobacterium van metabolitzar algun dels OLHs testats. Bifidobacterium infantis Y538 va consumir eficientment tots els OLHs testats. Les dos soques de Bifidobacterium dentium Y510 i Y521 sol van metabolitzar lacto-N-tetraosa (LNT) i lacto-N-neotetraosa (LNnT).Es van caracteritzar dos ß-galactosidasas de B. dentium Y510; Bdg42A va exhibir la major activitat enfront de LNT, hidrolitzant-la en galactosa i lacto-N-triosa (LNTII), mentre que Bdg2A va mostrar activitat enfront de lactosa, 6'-galactopiranósil-N-acetilglucosamina, N-acetillactosamina i LNnT. També es van aïllar soques bacterianes amb activitat glicosidasa extracelul·lar. B. infantis E17 i E18, i Enterococcus faecalis E8 i E41 van exhibir activitat endo-ß-N-acetilglucosaminidasa, alliberant N-glicans de glicoproteïnes. La endo-ß-N-acetilglucosaminidasa EndoE de E. faecalis E8 va deglicosilar eficientment la proteïna S1 del coronavirus 2 del síndrome respiratori agut greu (SARS-CoV-2).Tant la EndoE salvatge com un mutant catalíticament inactiu van mostrar activitat lectina enfront de la proteïna S1 i activitat neutralitzador enfront de la infecció d'un virus pseudotipat que presenta la proteïna S de SARS-CoV-2 expressada. També es van identificar GHs putatives a través de l'anàlisi metagenómic de la femta de xiquets lactants, pertanyents als gèneres Bifidobacterium, Bacteroides, Ruminococcus, Actinomyces, Klebsiella, Phocaeicola i Streptococcus. Es van seleccionar deu ¿-L-fucosidasas GH29 (Fuc18, Fuc19A, Fuc30, Fuc35A, Fuc35B, Fuc39, Fuc193, Fuc1584, Fuc2358 i Fuc5372). Les ¿-L-fucosidasas Fuc18, Fuc19A, Fuc35B, Fuc39 i Fuc1584 van mostrar activitat hidrolítica enfront d'enllaços de fucosa ¿-1,3/4 i Fuc35A, Fuc193 i Fuc2358 van mostrar activitat enllaços de fucosa ¿-1,2/3/4/6. Fuc30 va mostrar activitat enfront d'enllaços de fucosa ¿-1,6 mentre que Fuc5372 va mostrar preferència pels enllaços ¿-1,2. Fuc2358 va mostrar activitat enfront de glicoconjugats amb lacto-N-fucopentaosa II, lacto-N-fucopentaosa III i contra la glicoproteïna de la mucina. Fuc18, Fuc19A i Fuc39 van eliminar fucosa de neoglicoproteïnes i de la glicoproteïna ¿-1 àcida. Les ¿-L-fucosidasas aïllades van ser avaluades per la seua capacitat per a sintetitzar fucosil-oligosacàrids (FUS) mediant reaccions de transfucosilació. Fuc2358 va produir rendiments del 35% de 2'-fucosillactosa (2'FL) i també 3'-fucosillactosa (3'FL) i 1-fucosillactosa (1FL). Fuc5372 va sintetitzar 2'FL, 3'FL i 1FL, amb una proporció més alta de 3'FL. Es va dur a terme mutagénesis dirigida per a augmentar els rendiments de transfucosilación. Els mutants Fuc2358-H132F, Fuc2358-F184H, Fuc2358-R301Q, Fuc2358-K286R i Fuc5372-R230K van mostrar una major relació entre la 2'FL produïda i el pNP-Fuc hidrolitzat que els seus respectius enzims salvatges.A més, els residus F184 de Fuc2358 i W151 de Fuc5378 afecten la regioselectivitat de la transfucosilación; la fenilalanina augmenta la selectivitat pels enllaços ¿-1,2 i el triptòfan augmenta la selectivitat pels enllaços ¿-1,3. Els resultats presentats mostren la diversitat de GHs presents en la microbiota intestinal de xiquets lactants i expandixen el coneixement sobre la seua especificitat, contribuint al coneixement del possible paper de les GHs en la colonització bacteriana del tracte gastrointestinal i, a més, mostra el seu potencial biotecnològic.

[EN] Human milk oligosaccharides (HMOs) and the glycan portion of glycoconjugates are hydrolyzed by glycoside hydrolases (GHs) that are expressed by the neonatal intestinal microbiota, promoting the establishment of an intestinal microbiota with health benefits for infants. The objective of this Doctoral Thesis consisted of the functional characterization of GHs from the intestinal microbiota of breastfed infants capable of metabolizing HMOs and glycoconjugates and the study of their biological relevance and their biotechnological potential. Bacterial strains were isolated from breastfed infant faeces, showing that only Bifidobacterium genus strains metabolized any of the HMOs tested. Bifidobacterium infantis Y538 efficiently consumed all tested HMOs, while the two strains isolated from Bifidobacterium dentium Y510 and Y521 only metabolized lacto-N-tetraose (LNT) and lacto-N-neotetraose (LNnT). Two ß-galactosidases from B. dentium Y510 were characterized; Bdg42A exhibited the highest activity on LNT, hydrolyzing it into galactose and lacto-N-triose (LNTII), while Bdg2A displayed activity against lactose, 6'-galactopyranosyl-N-acetylglucosamine, N-acetyllactosamine and LNnT. Bacterial strains with extracellular glycosidase activity were also isolated from breastfed infant faeces. B. infantis E17 and E18, and Enterococcus faecalis E8 and E41 exhibited endo-ß-N-acetylglucosaminidase activity, releasing N-glycans from glycoproteins. The endo-ß-N-acetylglucosaminidase EndoE from E. faecalis E8 efficiently deglycosylated the spike S1 protein of the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Both the EndoE wild-type and a catalytically inactive mutant exhibited lectin activity towards the S1 protein and neutralizing activity against SARS-CoV-2 S pseudotyped virus infection. Putative GHs were also identified through metagenomic analysis of breastfed infant faeces, belonging to Bifidobacterium, Bacteroides, Ruminococcus, Actinomyces, Klebsiella, Phocaeicola, and Streptococcus genera. Ten ¿-L-fucosidases GH29 (Fuc18, Fuc19A, Fuc30, Fuc35A, Fuc35B, Fuc39, Fuc193, Fuc1584, Fuc2358, and Fuc5372) were selected. The ¿-L-fucosidases Fuc18, Fuc19A, Fuc35B, Fuc39, and Fuc1584 showed hydrolytic activity on ¿-1,3/4-linked fucose and Fuc35A, Fuc193 and Fuc2358 showed activity on ¿-1,2/3/4/6-linked fucose. Fuc30 displayed activity only on ¿-1,6-linked fucose, and Fuc5372 showed a preference for ¿-1,2-linked fucose. Fuc2358 displayed activity against glycoconjugates carrying lacto-N-fucopentaose II, lacto-N-fucopentaose III and against the mucin glycoprotein. Fuc18, Fuc19A, and Fuc39 removed fucose from neoglycoproteins and human ¿-1 acid glycoprotein. The isolated ¿-L-fucosidases were evaluated for their capacity to synthesize fucosyl-oligosaccharides (FUS) through transfucosylation reactions. Fuc2358 produced 35 % yields of 2'-fucosyllactose (2'FL) and also 3'-fucosyllactose (3'FL) and 1-fucosyllactose (1FL). Fuc5372 synthesized 2'FL, 3'FL and 1FL, with a higher proportion of 3'FL. Site-directed mutagenesis was conducted to increase the transglycosylation yields. Mutants Fuc2358-H132F, Fuc2358-F184H, Fuc2358-R301Q, Fuc2358-K286R and Fuc5372-R230K showed a higher ratio between 2'FL yields and hydrolyzed pNP-Fuc than their respective wild-type enzymes. The transfucosylation activity results also showed that the residues F184 of Fuc2358 and W151 of Fuc5378 affect transfucosylation regioselectivity, with phenylalanine increasing the selectivity for ¿-1,2 linkages and tryptophan for ¿-1,3 linkages. The results presented in this doctoral thesis illustrate the diversity of GHs in the intestinal microbiota of breastfed infants and have expanded our knowledge of their specificities, which could contribute to a better understanding of the possible role of GHs in the bacterial colonization of the infant gastrointestinal tract and presents significant biotechnological potential.