A proteomic view of probiotic Lactobacillus rhamnosus GG

Lactobacillus rhamnosus GG is a probiotic bacterium that is known worldwide. Since its discovery in 1985, the health effects and biology of this health-promoting strain have been researched at an increasing rate. However, knowledge of the molecular biology responsible for these health effects is limited, even though research in this area has continued to grow since the publication of the whole genome sequence of L. rhamnosus GG in 2009. In this thesis, the molecular biology of L. rhamnosus GG was explored by mapping the changes in protein levels in response to diverse stress factors and environmental conditions. The proteomics data were supplemented with transcriptome level mapping of gene expression. The harsh conditions of the gastro-intestinal tract, which involve acidic conditions and detergent-like bile acids, are a notable challenge to the survival of probiotic bacteria. To simulate these conditions, L. rhamnosus GG was exposed to a sudden bile stress, and several stress response mechanisms were revealed, among others various changes in the cell envelope properties. L. rhamnosus GG also responded in various ways to mild acid stress, which probiotic bacteria may face in dairy fermentations and product formulations. The acid stress response of L. rhamnosus GG included changes in central metabolism and specific responses related to the control of intracellular pH. Altogether, L. rhamnosus GG was shown to possess a large repertoire of mechanisms for responding to stress conditions, which is a beneficial character of a probiotic organism. Adaptation to different growth conditions was studied by comparing the proteome level responses of L. rhamnosus GG to divergent growth media and to different phases of growth. Comparing different growth phases revealed that the metabolism of L. rhamnosus GG is modified markedly during shift from the exponential to the stationary phase of growth. These changes were seen both at proteome and transcriptome levels and in various different cellular functions. When the growth of L. rhamnosus GG in a rich laboratory medium and in an industrial whey-based medium was compared, various differences in metabolism and in factors affecting the cell surface properties could be seen. These results led us to recommend that the industrial-type media should be used in laboratory studies of L. rhamnosus GG and other probiotic bacteria to achieve a similar physiological state for the bacteria as that found in industrial products, which would thus yield more relevant information about the bacteria. In addition, an interesting phenomenon of protein phosphorylation was observed in L. rhamnosus GG. Phosphorylation of several proteins of L. rhamnosus GG was detected, and there were hints that the degree of phosphorylation may be dependent on the growth pH.

Lactobacillus rhamnosus GG on yksi maailman tunnetuimmista probioottisista eli terveysvaikutteisista bakteereista. L. rhamnosus GG -bakteeria nauttimalla voidaan muuan muassa hoitaa ja ennaltaehkäistä ripulitauteja sekä vähentää lasten riskiä saada atooppisia sairauksia. Siitä lähtien, kun tämä probioottikanta vuonna 1985 löydettiin, sen terveysvaikutuksia ja biologiaa on tutkittu kiihtyvään tahtiin. L. rhamnosus GG -kannan terveysvaikutusten molekyylibiologinen perusta on monilta osin vielä tuntematon, mutta GG -kannan genomisekvenssin julkaiseminen vuonna 2009 on edesauttanut alan tutkimusta. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin L. rhamnosus GG -bakteerin solun toimintaa kartoittamalla erilaisten stressitilojen ja ympäristöolojen vaikutusta sen proteomiin eli kaikkiin bakteerin tuottamiin proteiineihin kuten solunsisäisiin entsyymeihin sekä proteiineihin, jotka saattavat liittyä tämän bakteerikannan aikaansaamiin terveysvaikutuksiin. Proteomitason tuloksia täydennettiin transkriptomi- eli RNA-analyyseillä, joilla saatiin lisätietoa L. rhamnosus GG -bakteerin geenien ilmenemisestä. L. rhamnosus GG -bakteerin selviytymistä ruoansulatuskanavan kaltaisissa olosuhteissa tutkittiin altistamalla bakteeri laboratorio-olosuhteissa äkillisesti sappihapoille, jollaisia maksa erittää suolistoon ruoansulatusta edistävässä sappinesteessä. L. rhamnosus GG reagoi sappistressiin muun muassa muuttamalla solukuorensa ominaisuuksia paremmin suolisto-olosuhteisiin sopiviksi kuten paremmin sappea kestäväksi ja alttiimmin suolistoon tarttuvaksi. L. rhamnosus GG:n haponsietoa tutkittiin pH-olosuhteissa, jotka vastaavat hapatettujen maitotuotteiden kuten jogurtin happamuutta. L. rhamnosus GG sieti happamia olosuhteita hyvin, mutta ne aiheuttivat silti monia muutoksia bakteerin metaboliaan. Kaiken kaikkiaan L. rhamnosus GG -bakteerilla havaittiin olevan monia mekanismeja, joiden avulla se selviytyy erilaisista stressitilanteista kuten suolisto-olosuhteista. Väitöskirjatyössä tutkittiin myös L. rhamnosus GG -kannan sopeutumista erilaisiin kasvuolosuhteisiin kuten eri kasvualustoihin ja kasvun eri vaiheisiin. Bakteereissa, jotka oli kasvatettu joko teollisella herapohjaisella alustalla tai ravinteikkaalla laboratorioalustalla, havaittiin paljon eroja mm. solun metaboliaan ja solukuoren ominaisuuksiin vaikuttavissa tekijöissä. Eri kasvuvaiheista erityisesti eksponentiaalinen ja stationäärivaihe erosivat toistaan huomattavasti monissa solun toiminnoissa. Kaiken kaikkiaan L. rhamnosus GG osoittautui metabolialtaan joustavaksi ja erilaisiin olosuhteisiin hyvin sopeutuvaksi, mitkä ovat hyödyllisiä probioottisen bakteerin ominaisuuksia.