Genome-scale reconstruction of the metabolic model of the probiotic bacterium Lactobacillus acidophilus

Abstract

In recent years, people have been acquiring more awareness about their health, changing their nutritional habits, and searching for food able to prevent health disorders. Hence, the addition of probiotic microorganisms to food and their utilization as nutritional supplements has been receiving attention from food industry. Dairy products industry fre quently uses probiotic organisms in its fermented products, especially species and strains belonging to the lactic acid bacteria group. Lactobacillus acidophilus is a probiotic lactic acid bacterium, used in food and di etary supplements for many years. Some strains, such as La-14, had demonstrated health promoting effects, contributing to the wellness of the gastrointestinal tract, modulating the immune response, and preventing kidney disorders. Therefore, systems biology, specifi cally genome-scale metabolic models, will allow more efficient utilization of this species by food industry, enhancing the knowledge of the metabolic capabilities of this organism, and contributing to the strain development for industrial purposes. This work aimed at obtaining a genome-scale metabolic model for the L. acidophilus La-14 strain, using merlin, together with COBRApy and OptFlux. The draft network assembled in previous work was manually curated, the biomass composition was determined based on available information, and the model was validated by comparing in silico simulations with experimental data. The GSM model contains 527 genes, 952 reactions, and 608 unique metabolites, and is able to predict the phenotype of the bacterium under different environmental conditions. The reconstruction of the metabolic model has confirmed the fastidious requirements of L. acidophilus for amino acids, fatty acids, and vitamins. This species presents a simple carbon metabolism based on the EMB pathway, with lactic acid as the final product. This work presents an overview of the metabolism of L. acidophilus, including the pathways for carbohydrate catabolism, incorporation of fatty acids, and nucleotide and amino acid biosynthesis. Moreover, the potential to produce relevant compounds for the industry, such as acetaldehyde and exopolysaccharides, was also identified and analyzed.

Nos últimos anos, a população tem vindo a adquirir mais consciência sobre a sua saúde, mudando os seus hábitos alimentares, e procurando alimentos capazes de prevenir problemas associados a doenças. Por isso, a utilização de microorganismos probióticos em alimentos e em suplementos alimentares tem vindo a ganhar a atenção da indústria alimentar. A indústria dos laticínios usa frequentemente organismos probióticos em produtos fermentados, especialmente espécies pertencentes ao grupo das bactérias lácticas. Lactobacillus acidophilus é uma bactéria láctica probiótica, frequentemente utilizada em alimentos e suplementos alimentares. Algumas estirpes, por exemplo La-i4, têm demonstrado efeitos benéficos para a saúde, contribuindo para a vitalidade do trato gastrointestinal, modulando o sistema imunitário e prevenindo problemas renais. Portanto, a biologia de sistemas, nomeadamente modelos metabólicos à escala genómica, irá permitir uma utilização mais eficiente desta espécie na industria alimentar, aprofundando o conhecimento sobre o metabolismo deste organismo e contribuindo também para o desenvolvimento de estirpes desta espécie para fins industriais. Este trabalho teve como objetivo a obtenção de um modelo metabólico à escala genómica para a bactéria L. acidophilus La-i4, utilizando as ferramentas merlin e COBRApy e a plataforma OptFlux. A rede obtida em trabalho anterior foi curada manualmente, a composição da biomassa foi determinada com base em informação disponível na literatura, e o modelo foi validado por comparação de simulações com dados experimentais. O modelo metabólico contém 527 genes, 952 reações, e 6o8 metabolitos, sendo capaz de prever o comportamento da bactéria em diferentes condições ambientais. A reconstrução do modelo metabólico confirmou as necessidades de L. acidophilus por aminoácidos, ácidos gordos e vitaminas. Esta espécie apresenta um metabolismo de carbono simples baseado na glicólise, com ácido láctico como produto final. Este trabalho apresenta ainda uma análise ao metabolismo de L. acidophilus, incluindo as vias para o catabolismo de açúcares, incorporação de ácidos gordos, e síntese de nucleótidos e aminoácidos. O potencial para produzir compostos com interesse industrial, como acetaldeído e exopolissacáridos, foi também identificado e avalizado.