Xylan Degradation Mechanism of Human Intestinal Bacteria

Abstract

Xylan is the second most abundant plant cell wall polysaccharide after cellulose. The xylan rich lignocellulosic material obtained from agriculture, forestry and industrial wastes provides cost effective raw materials. The degradation of xylan in the human body is an important process contributing to the continuation of the microbial communities living in the human colonic ecosystem. Due to its complex, long chain structure and the various chemical bonds it contains, xylan hydrolysis requires different enzymatic activities. Bacteria that live in the colon and are useful for human health, such as Bifidobacterium and Lactobacillus species can not perform xylan utilization. However, several types of xylan are utilized by the Bacteroides species, which have the second largest density in the colon. In this study, different Bifidabacterium and Bacteriodes species were investigated for their ability to degrade beechwood xylan and corncob xylan. Bifidabacterium and Bacteriodes were cultured together in tubes containing xylan as the sole carbon source. It was observed that; the B. animalis subsp. lactis, which does not have the ability to use the xylan, could grow when cultured on xylan-containing medium with Bacteroides species. These showed that, the xylan in the media was degraded into xylooligosaccharides by the Bacteroides species and the XOS formed was used as a carbon source by both species. The short chain fatty acid and lactic and succinic acid production profiles of co-cultures were different than the mono cultures, indicating a positive effect of co-culturing. This study showed that xylan is a potential prebiotic carbohydrate, which can selectively stimulate the growth of beneficial bacteria in the colon, as a result of possible cross feeding of different bacteria residing in the colon.

Ksilan, selülozun yanında doğada en çok bulunan ikinci bitki hücre duvarı polisakkaritidir. Tarım, orman ve endüstriyel atıklardan elde edilen ksilanca zengin lignoselülozik materyal, ucuz ham madde eldesi sağlamaktadır. Ksilan parçalanması, insan kolonik ekosisteminde yaşayan mikrobiyal toplulukların devamının sağlanmasına katkıda bulunan önemli bir süreçtir. Karmaşık, uzun zincirli yapısından ve içerdiği çeşitli kimyasal bağlardan dolayı, ksilan hidrolizi farklı enzimatik faaliyetler gerektirmektedir. Kolonda yaşayan, insan sağlığı açısından yararlı olan probiyotik türler, örneğin Bifidobacterium ve Lactobacillus türleri; ksilan parçalması gerçekleştirememektedir. Ancak, kolonda yaşayan ve kolonda ikinci büyük yoğunluğa sahip olan Bacteroides türleri tarafından çeşitli ksilan tipleri kullanılmaktadır. Bu çalışmada farklı Bifidabacterium ve Bacteriodes türlerinin birlikte kültüre edildiklerinde kayın kerestesi ve mısır koçanı ksilanı parçalama yeteneklerini incelenmiştir. Bacteroides ve Bifidobacterium, karbon kaynağı olarak ksilanın bulunduğu tüpte kültüre edilmiştir. Ksilan'ı kullanma yeteneğine sahip olmayan B. animalis subsp. lactis’in, ksilan içeren ortamda Bacteroides türleri ile birlikte kültüre edildiğinde büyüyebildiği gözlenmiştir. Besiyerindeki ksilanın Bacteroides türleri tarafından KOS'a ayrıldığı ve oluşan KOS’un her iki tür tarafından bir karbon kaynağı olarak kullanıldığını göstermiştir. Birlikte kültür edilmiş bakterilerin, kısa zincirli yağ asidi ve laktik ve süksinik asit üretim profilleri tek kültürlerden farklı olmuştur, bu da birlikte kültürün olumlu bir etkisini göstermektedir. Bu çalışma, kolonda bulunan farklı bakterilerin çapraz beslenmesinin bir sonucu olarak, ksilan'ın kolondaki yararlı bakterilerin büyümesini seçici olarak uyarabilen potansiyel bir prebiyotik karbonhidrat olduğunu göstermiştir.