Genomic and ecological studies to understand bifidobacterial adaptation to the human gastro-intestinal tract

Abstract

The Bifidobacterium genus comprises a high GC Gram positive bacteria belonging to the Actinobacteria phylum, which has been found to represent a common inhabitant of the gastro-intestinal tract (GIT) of mammals. In particular focusing on the GIT of human, the overall microorganisms that colonize such environment represent the “gut microbiota”. The human gut microbiota is an extremely complex microbial community whose functions are believed to have a significant impact on human physiology. Different ecological relationships with their host might be developed by bifidobacteria ranging from opportunistic pathogens (e.g., the case of Bifidobacterium dentium species) to health promoting features (e.g., the case of Bifidobacterium bifidum and Bifidobacterium breve species). Among health promoting microorganisms, also known as probiotic microorganisms, bifidobacteria represent one of the dominant group and some bifidobacterial species are frequently used as healthy components in many functional foods. However, despite the generally accepted importance of bifidobacteria as constituent of human microbiota, there is only a limited body of information about their phylogenetic position, physiology and genetics. Moreover, host-microbiota interaction as well as the cross-talk between the different components of the gut ecosystem are far to be completely known although they represent a crucial point in human physiology. The aim of this Ph.D. thesis research is to shed light into the genetic and functional features of bifidobacteria residing in the human GIT with the use of genomics and ecological based tools. This study offers first evidences about the contribution of bifidobacteria to the human gut microbiota and also it provides insights into the genetic functions explaining their presence in the particular ecological environment of the GIT of human beings.

Il genere Bifidobacterium è un gruppo di batteri Gram positivi ad alto contenuto di GC appartenenti al phylum degli Actinobacteria, microrganismi che rappresentano dei naturali colonizzatori del tratto gastro-intestinale (GIT) dei mammiferi. Per quanto riguarda il GIT umano, viene definito “microbiota intestinale” l’insieme dei microrganismi che colonizzano questo particolare ecosistema. Il microbiota intestinale umano costituisce una comunità microbica estramemente complessa le cui funzioni sono ritenute di rilevante impatto per la vita dell’uomo. In particolare, le relazioni ecologiche che possono instaurarsi tra i bifidobatteri e l’ospite si sviluppano secondo dinamiche differenti, che vanno dai patogeni (nel caso delle specie appartenenti a Bifidobacterium dentium) ai commensali con promozione di caratteristiche benefiche e salutistiche (nel caso delle specie appartenenti a Bifidobacterium bifidum e Bifidobacterium breve). Tra questi ultimi, conosciuti con il termine di probiotici, troviamo i bifidobatteri che rappresentano uno dei gruppi dominanti. Alcune specie di bifidobatteri sono infatti frequentemente utilizzate come componenti benefici in alcuni prodotti funzionali. Tuttavia, malgrado sia universalmente riconosciuta l’importanza dei bifidobatteri come naturali membri del microbiota intestinale umano, numerose sono le lacune riguardanti la fisiologia, la genetica e la reale posizione filogenetica di questi microrganismi. Inoltre, il rapporto ospite-microbiotra intestinale, come anche le reciproche interazioni tra i differenti componenti dell’ecosistema intestinale sono distanti dall’essere completamente conosciuti, malgrado siano di estrema importanza per la vita dell’uomo. Lo scopo di questa tesi di dottorato è di elucidare la genetica e il ruolo dei bifidobatteri che colonizzano il GIT umano attraverso l’utilizzo della genomica, della genomica funzionale e degli strumenti che chiariscono gli aspetti ecologici. Questo studio offre le prime evidenze riguardanti il reale contributo dei bifidobatteri al microbiota del GIT e fornisce inoltre delucidazioni, con prove genetiche, del loro ruolo funzionale nell’ecosistema intestinale degli esseri umani.