Omics of the Bifidobacterium genus: from genes to function

Abstract

Il genere Bifidobacterium comprende 48 taxa e rappresenta uno dei gruppi batterici dominanti del tratto gastrointestinale di numerosi insetti sociali ed animali, risultando particolarmente prevalente durante le prime fasi dello sviluppo neonatale. Dalla loro prima identificazione all’inizio del 20° secolo, la loro importanza come membri del microbiota intestinale umano (inteso come la popolazione batterica totale presente nel tratto gastrointestinale dell’uomo) ha continuato a crescere ed ora il genere Bifidobacterium è considerato avere un ruolo preponderante durante l’intero arco vitale degli esseri umani. Più in dettaglio, i bifidobatteri hanno mostrato possedere numerosi effetti salutistici tra cui partecipazione nella produzione di vitamine, maturazione e stimolazione del sistema immunitario, assimilazione di nutrienti ed interazione con un ampio ventaglio di aspetti della biologia dell’ospite. Grazie a queste caratteristiche i bifidobatteri sono ampiamente utilizzati in alimenti funzionali come probiotici, rappresentando quindi un tema di ricerca rilevante sia da un punto di vista medico sia da un punto di vista industriale. Tuttavia, ad ora solo pochi membri del genere Bifidobacterium sono stati studiati in dettaglio e le basi genetiche della loro interazione con l’ospite non sono ancora completamente comprese. L’obiettivo di questa tesi di dottorato è di sfruttare l’output generato da tecniche di sequenziamento di nuova generazione per eseguire indagini bioinformatiche atte a individuare il potenziale genico responsabile delle caratteristiche peculiari dei membri del genere Bifidobacterium, concentrandomi sulla loro ecologia, interazioni tra diverse specie batteriche ed interazioni batteri-ospite. I risultati presentati in questa tesi riguardano sia aspetti ecologici, ovverossia derivati dalla valutazione del contributo dei bifidobatteri in ecosistemi complessi, quale quello intestinale umano, tramite lo sviluppo di opportune pipelines di 16S rRNA profiling ed ITS profiling, ma anche aspetti di natura genomica, ottenuti tramite la valutazione del patrimonio genetico di tutti i type strain del genere Bifidobacterium.

The Bifidobacterium genus encompasses 48 recognized taxa and represents one of the dominant microbial groups colonizing the gut of various social insects and animals, being particularly prevalent during the suckling stage of life of humans and other mammals. Since their first identification in early 20Th century, their relevance as component of the human gut microbiota (i.e. the entire bacterial population residing in the human intestine) has continued to grow and now the genus Bifidobacterium is considered to play a major role during the entire life span of human beings. More in detail, bifidobacteria have been shown to exert many host health-promoting roles such as vitamin production, maturation and stimulation of the immune system, development of the gastrointestinal-tract and assimilation of nutrients, as well as interaction with an array of other aspect of the host’s biology. Due to these features, bifidobacteria are now widely exploited in functional foods as probiotics, thus representing an important research topic from both a medical and an industrial point of view. Nevertheless, until now, only the biology of few members of the Bifidobacterium genus have been studied in detail and the genetic bases of their interaction with the host are yet to be fully understand. The aim of this PhD thesis is to exploit next generation sequencing and bioinformatics technologies in order to unveil the genetic potential responsible for the peculiar ecological, microbe-microbe and microbe-host traits of the genus Bifidobacterium. Results presented focus on advances in accurate reconstruction of the whole microbiota and bifidobacterial composition starting from environmental samples. This is done through the development of optimized 16S rRNA profiling and ITS profiling protocols. Furthermore, results from comparative analysis of genomic data obtained from sequencing of all the strains of the species Bifidobacterium animalis subsp. lactis and all the type strains of the genus Bifidobacterium allow an in-depth investigation of the genetic repertoire that characterize the diverse species constituting this bacterial genus.