Enzimatik olarak sentezlenen α-glukanların kalın bağırsak mikrobiyotası üzerine etkilerinin araştırılması
Investigation of the effects of enzymatically synthesized α-glucans on large intestine microbiota
Yazar: ARİFE YAŞAR
Danışman: DOÇ. DR. YUNUS EMRE TUNÇİL
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Son zamanlarda, dirençli nişasta ve nişasta benzeri yapılar, kalın bağırsakta bütirat üretimini ve faydalı mikroorganizmaları teşvik etme yeteneklerinden dolayı gıda, beslenme ve sağlık alanında büyük ilgi görmektedirler. Nişasta benzeri yapıların bütirat üreten bakterileri destekleme yetenekleri, esas olarak benzersiz bağlantı bileşimlerine, özellikle sahip oldukları α-1,4 ve α-1,6 glikoz bağlantılarına atfedilmektedir . Ancak α-1,4 ve α-1,6 glikoz bağlantılarının oranındaki değişikliklerin kolon mikrobiyotası üzerine etkileri hala tam olarak bilinmemektedir. Bu çalışmanın amacı, farklı oranlarda α-1,4 ve α-1,6 glikozidik bağlara sahip, biyokatalitik yöntemler ile sentezlenmiş sindirilmeyen α-glukanların kolonik mikrobiyota ve mikrobiyal metabolitler üzerindeki etkilerini belirmektir. Bu çalışmada, Neisseria polysaccharea'dan elde edilmiş amilosükraz ve Rhodothermus obamensis'ten elde edilmiş olan glikojen dallanma enzimleri kullanılarak sentezlenmiş yapısal olarak farklı (farklı dallanma noktalarına sahip) toplam dört farklı α-glukan kullanılmıştır . Örnekler üst sindirim sistemi enzimleri ile muamele edilmiş ve akabinde dallanma yoğunlukları ve moleküler boyutları sırasıyla gaz kromatografisi/kütle spektrometrisi (GC/MS) ve yüksek performanslı boyut dışlama kromatografisi kullanılarak belirlenmiştir. α-Glukanların kolonik mikrobiyota bileşimi ve fonksiyonu üzerindeki etkileri, sekiz farklı bireyden elde edilen fekal mikrobiyota kullanılarak, in vitro fekal fermantasyon metodu ile araştırılmış ve kolon mikrobiyota kompozisyonlarındaki ve mikrobiyal metabolitlerdeki (kısa zincirli yağ asitleri - KZYA' lar) değişiklikler, sırasıyla 16S rRNA dizileme teknolojisi ve GC ile belirlenmiştir. Sonuçlarımız, üst sindirim enzimleri ile muamele edilmiş olan enzimatik olarak sentezlenmiş α-glukanların dallanma yoğunluklarının %0,10 ila 2,80 arasında değiştiğini ortaya koymuştur. KZYA analizi, bütirat oluşumunun yapısal özelliklerine göre değişkenlik gösterdiğini ortaya çıkarmıştır. Genel olarak, daha az dallanma oranına sahip olan α-glukanlar, daha yüksek mikrobiyal bütirat üretimini sağlamaktadır. İlginç bir şekilde, KZYA analizi, bu çalışmada test edilen tüm α-glukanların, dirençli nişasta kontrollerine kıyasla, daha yavaş bir hızda fermente edildiği önerisinde bulunmaktadır. Amplikon dizilimi, kolonik mikrobiyota kompozisyonu açısından bireyler arası farklılıklar olsa da, α-glukanların genellikle kolonda faydalı mikrobiyal gruplar olduğu bilinen Lachnospiraceae ve Ruminococcus bromii ile ilişkili OTU' ların gelişiminin teşvik ettiğini ortaya koymuştur. Buna karşılık, dirençli nişasta kontrollerinin (α-1,4 ve a-1,6 glikoz bağlantılarından oluşan) Blautia ile ilişkili OTU' ların gelişimini teşvik ettiği tespit edilmiştir. Bu sonuç, glikozidik bağlantı tipine (kimyasal yapıya) ek olarak, diğer yapısal özelliklerin de (örn. morfolojik ve fiziksel), diyet liflerinin kolondaki spesifik bakteri gruplarını teşvik etme yeteneklerinin belirlenmesinde önemli rol oynadığını göstermektedir. Sonuç olarak, bu çalışmada elde edilen sonuçlar, sindirilemeyen α-glukanların kolondaki faydalı mikroorganizmaları ve mikrobiyal metabolitleri teşvik edebildiğini, ancak teşvik etme derecesinin yapıya bağlı olduğunu ortaya koymaktadır.

Abstract:
In recent years, resistant starch and starch-like structures have been of great interest in food, nutrition and health due to their ability to promote butyrate production and beneficial microorganisms in the colon. The ability of starch-like structures to promote butyrate-producing bacteria is mainly attributed to their unique linkage composition, particularly their α-1,4 and α-1,6 glucose linkages. However, the effects of changes in the ratio of α-1,4 and α-1,6 glucose linkages on colonic microbiota are still unknown. The aim of this study was to determine the effects of non-digestible α-glucans synthesized by biocatalytic methods with different ratios of α-1,4 and α-1,6 glycosidic linkages on colonic microbiota and microbial metabolites. In this study, a total of four structurally different α-glucans (with different branching points) synthesized using amylosucrase from Neisseria polysaccharea and glycogen branching enzymes from Rhodothermus obamensis were used. The samples were treated with upper gastrointestinal tract digestion enzymes and subsequently their branching densities and molecular sizes were determined using gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) and high-performance size exclusion chromatography, respectively. The effects of α-glucans on colonic microbiota composition and function were investigated by in vitro fecal fermentation using fecal microbiota from eight different individuals and changes in colonic microbiota composition and microbial metabolites (short-chain fatty acids - SCFAs) were determined by 16S rRNA sequencing technology and GC, respectively. Our results revealed that the branching densities of enzymatically synthesized α-glucans treated with upper gastrointestinal digestive enzymes ranged from 0.10 to 2.80%. SCFA analysis revealed that butyrate formation varied according to their structural features. In general, α-glucans with lower branching ratios resulted in formations of higher microbial butyrate. Interestingly, the SCFA analysis suggests that all α-glucans tested in this study fermented at a slower rate compared to the resistant starch controls. Amplicon sequencing revealed that although there were inter-individual differences in colonic microbiota composition, α-glucans generally promoted the development of Lachnospiraceae and Ruminococcus bromii related OTUs, which are known to be beneficial microbial groups in the colon. In contrast, resistant starch controls (consisting of α-1,4 and α-1,6 glucose linkages) were found to promote the growth of Blautia related OTUs. This suggests that in addition to the type of glycosidic linkage (chemical structure), other structural characteristics (e.g. morphological and physical) also play important roles in determining the ability of dietary fibers to promote specific bacterial groups in the colon. In conclusion, the results obtained in this study reveal that non-digestible α-glucans can promote beneficial microorganisms and microbial metabolites in the colon, but the degree of promotion depends on the structure.