A study on the potential role of bacteriocins in shaping the infant gut microbiota, through inhibition of bacterial growth by selected bacteriocins and presence of enterocin A encoding enterococci in fecal samples

Menneskets tarmmikrobiota består av et komplekst samfunn av mikroorganismer som er avgjørende for vår helse. Flere studier har koblet avvikende tarmmikrobiota hos spedbarn til utvikling av sykdom som manifesteres i spedbarnsalderen eller senere i livet. Ytterligere forståelse av faktorer som påvirker sammensetning og utvikling av spedbarns tarmmikrobiota er derfor av stor interesse. Bakteriosiner er en heterogen gruppe ribosomalt syntetiserte bakterielle peptider eller proteiner, med antimikrobiell aktivitet mot andre bakterier. Kunnskap om bakteriosiners rolle i utviklingen av spedbarns tarmmikrobiota er begrenset. Målet med denne masteroppgaven var å undersøke den antimikrobielle aktiviteten til seks bakteriosiner av spesiell relevans i spedbarns tarmmikrobiota, mot bakterier som koloniserer menneskets tarm. I tillegg var det av interesse å undersøke hvordan tilstedeværelsen av et bakteriosin-kodende gen i tarmmikrobiotaen endres med alderen. I den forbindelse ble fecesprøver fra spedbarn ved seks og 12 måneder analysert, samt prøver fra deres mødre. Bakteriosinene enterocin A, enterocin SE-K4 og bacteriocin 3, ble vist å hemme vekst av stammer av E. faecium og E. faecalis. Disse bakteriosinene påvirket også vekst av B. cereus vegetative celler. Resultater fra qPCR indikerte at forekomsten av enterocin A kodende gener er høyere i tarmmikrobiotaen hos spedbarn ved seks måneder, sammenlignet med tarmmikrobiotaen hos spedbarn ved 12 måneder og deres mødre. Enterokokker, bakterieslekten med stammer med gener som koder for enterocin A, ble vist å være mest utbredt i prøvene fra seks måneder gamle spedbarn. Ingen statistisk signifikant korrelasjon mellom tilstedeværelsen av enterokokker og enterocin A-kodende gener ble observert. Det er imidlertid tekniske hensyn som medfører usikkerhet i resultatene. Denne usikkerheten kan tilsi at forskjellen mellom tilstedeværelse av enterocin A-kodende gener i de tre aldersgruppene er tydeligere enn observert, og at det er en sterkere sammenheng mellom tilstedeværelse av enterokokker og enterocin A-kodende gener enn observert i dette prosjektet. Nye forsøk med foreslåtte tekniske forbedringer bør derfor utføres.

English. The complex community of microorganisms in the human gut, the human gut microbiota, is crucial for our health and wellbeing. Several studies have connected aberrant infant gut microbiota to diseases manifested during infancy or later in life. Further understanding about factors affecting the infant gut microbiota composition and development is therefore of particular interest. Bacteriocins are a heterogeneous group of ribosomally synthesized bacterial peptides or proteins, displaying antimicrobial activity against other bacteria. Knowledge about the role of bacteriocins in the developing infant gut microbiota is still limited. The aim of this master thesis was to examinate the antimicrobial activity of six bacteriocins selected based on their relevance in the infant gut, against bacteria known to colonize the intestine. In addition, it was of interest to examine how the presence of a bacteriocin encoding gene in the gut microbiota changes with age. In this regard, fecal samples from infants at six and 12 months and their mothers were analyzed. Inhibition of strains of E. faecium and E. faecalis by the bacteriocins enterocin A, enterocin SEK4, and bacteriocin 31 was observed. These bacteriocins were also shown to affect growth of B. cereus vegetative cells. Results from qPCR targeting the enterocin A gene indicated that the abundance of this gene is higher in the gut microbiota of infants at six months, compared to the gut microbiota of infants at 12 months and their mothers. Enterococci, which is the genus with strains possessing enterocin A encoding genes, were shown to be most prevalent in the samples from six months old infants, but no statistically significant correlation between presence of enterococci and enterocin A encoding genes was observed. However, there are technical considerations limiting the viability of these results. The uncertainty in the results may imply that the difference between presence of enterocin A encoding genes in the three age groups is clearer than observed, and that there is a stronger correlation between presence of enterococci and enterocin A encoding genes than observed in this project. New experiments with suggested technical improvements should therefore be performed.

M-BIOTEK