Structure moléculaire de la lacto-N-biosidase LnbX, une enzyme d'une bactérie symbiotique (B. longum) dans l'intestin des nourrissons pour décomposer les sucres dans le lait maternel. Crédit :Yamada et Gotoh et al.
Le lait maternel fournit des nutriments essentiels non seulement aux nourrissons, mais aussi aux microbes bénéfiques qui habitent le tractus gastro-intestinal. Une étude publiée le 6 avril dans Biologie Chimique Cellulaire montre qu'une espèce bactérienne appelée Bifidobacterium longum s'est adapté avec succès à la niche unique de l'intestin du nourrisson en produisant une enzyme appelée LnbX, ce qui permet à ce microbe de se développer sur un sucre abondant uniquement dans le lait maternel.
"Compte tenu des effets bénéfiques sur la santé des bifidobactéries, nos résultats révèlent une voie évolutive possible pour la symbiose induite par le lait maternel entre les microbes intestinaux et les humains, ", déclare le co-auteur principal de l'étude Takane Katayama de l'Université de Kyoto.
On pense que les microbes intestinaux au début de la vie ont des effets durables sur la santé humaine, et des études ont montré que l'alimentation influence fortement la composition de cette population. Par exemple, les sucres du lait maternel sont connus pour favoriser sélectivement la croissance de microbes intestinaux bénéfiques tels que les bifidobactéries, qui préviennent la diarrhée et les infections pathogènes chez les nourrissons. L'un des principaux composants du lait maternel est un sucre appelé lacto-N-tétraose, qui est pratiquement absent dans le lait des autres mammifères. Les bifidobactéries produisent des enzymes qui décomposent ce sucre, suggérant fortement qu'une relation symbiotique a récemment évolué entre ces micro-organismes et les humains.
En étudiant comment cette relation symbiotique a évolué, Katayama et l'auteur principal de l'étude Shinya Fushinobu de l'Université de Tokyo ont précédemment caractérisé le LnbB et le LnbX isolé, des enzymes qui dégradent le lacto-N-tétraose dans Bifidobacterium bifidum et Bifidobacterium longum , respectivement. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont entrepris de s'appuyer sur ces découvertes en déterminant la structure cristalline aux rayons X du domaine catalytique de LnbX. La structure cristalline, en combinaison avec des expériences de mutation et pharmacologiques, a révélé que LnbX a une structure et un mécanisme catalytique distincts de LnbB et appartient donc à une nouvelle famille d'enzymes glycoside hydrolase appelée GH136.
Les oligosaccharides du lait maternel favorisent sélectivement la croissance bifidobactérienne dans l'intestin du nourrisson. Ce résumé visuel décrit les découvertes de Yamada et Gotoh et al., qui fournissent la base structurelle de la lacto-N-biosidase (LnbX), un facteur enzymatique clé pour la croissance et la prolifération des B. longum chez les nourrissons allaités. Crédit :Yamada et Gotoh et al./ Biologie Chimique Cellulaire 2017
"Bien que B. longum et B. bifidum appartiennent au même genre et habitent le même environnement, ils utilisent différentes enzymes pour décomposer le lacto-N-tétraose, en profitant des structures variées de ce sucre de lait maternel unique, " dit Fushinobu. " Les résultats suggèrent que différentes souches et espèces de bifidobactéries bénéfiques ont développé indépendamment des outils moléculaires distincts pour digérer le même sucre du lait humain, expliquant leur capacité à coexister et à prospérer dans le tractus gastro-intestinal des nourrissons nourris au lait maternel."
Des expériences supplémentaires ont montré que le gène lnbX est essentiel pour la capacité de B. longum se développer spécifiquement sur le lacto-N-tétraose. De plus, une analyse de l'ADN fécal a révélé que B. longum et le gène lnbX étaient plus abondants dans le tractus gastro-intestinal de dix nourrissons qui consommaient exclusivement du lait maternel par rapport à six nourrissons nourris avec un mélange de lait maternisé et de lait maternel. "Pris ensemble, ces résultats suggèrent que lnbX est important pour B. longum persister dans l'écosystème intestinal des nourrissons allaités, et les sucres du lait maternel ont été la principale pression sélective pour l'évolution de lnbX, " dit Katayama.
Dans les études futures, les chercheurs étudieront si d'autres espèces bifidobactériennes produisent différentes enzymes pour digérer les sucres du lait maternel. Ils rechercheront également des métabolites bifidobactériens qui favorisent la santé des nourrissons. À la fin, cette recherche pourrait améliorer le lait maternisé grâce à l'enrichissement soit avec des composés bactériens bénéfiques, ou avec des enzymes microbiennes qui ont été manipulées pour effectuer la réaction inverse et synthétiser les sucres du lait maternel à faible coût et à grande échelle.
« Bien que l'allaitement au sein pendant la première année de vie soit recommandé dans la plupart des cas, certaines mères doivent dépendre du lait maternisé parce qu'elles ont des infections virales ou ne produisent pas de lait contenant des nutriments essentiels tels que le zinc, " dit Katayama. " Par conséquent, le développement de nouvelles stratégies pour enrichir le lait maternisé avec des ingrédients bénéfiques pour la santé sera particulièrement critique dans ces rares cas où l'allaitement au sein n'est pas possible."
