Synthesis of isomaltooligosaccharides and oligodextrans by the combined use of dextransucrase and dextranase

Batch syntheses of isomaltooligosaccharides (IMO) from sucrose, using the enzymes dextransucrase and dextranase were performed with the aim of understanding the reaction mechanism and the parameters which affect product characteristics and molecular size. Both activities described for dextransucrase (dextran formation and acceptor reaction) achieved synthesis whilst the hydrolytic activity of dextranase regulated the product molecular size and acceptor availability. Depending on the reaction conditions, the product oligosaccharide mixtures contained mainly sugars (up to 36%) with degrees of polymerization (DP) varying between 10 and 60 together with lower concentrations of both lower and higher molecular weight sugars. Alterations in substrate and dextranase concentrations (50-400 mg ml(-1) and 2.5-46 U ml(-1), respectively) affected the molecular weight of IMO, the reaction rate and the formation of leucrose. This permitted manipulation of the product characteristics. It was found that higher substrate and dextranase concentrations gave rise to products with lower molecular sizes and a dextransucrase:dextranase ratio of 1: 1 or 1:2 appeared to produce a polymer with a molecular weight which is desirable for prebiotic use. (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

Colonization-induced host-gut microbial metabolic interaction

The gut microbiota enhances the host's metabolic capacity for processing nutrients and drugs and modulate the activities of multiple pathways in a variety of organ systems. We have probed the systemic metabolic adaptation to gut colonization for 20 days following exposure of axenic mice (n = 35) to a typical environmental microbial background using high-resolution (1)H nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to analyze urine, plasma, liver, kidney, and colon (5 time points) metabolic profiles. Acquisition of the gut microbiota was associated with rapid increase in body weight (4%) over the first 5 days of colonization with parallel changes in multiple pathways in all compartments analyzed. The colonization process stimulated glycogenesis in the liver prior to triggering increases in hepatic triglyceride synthesis. These changes were associated with modifications of hepatic Cyp8b1 expression and the subsequent alteration of bile acid metabolites, including taurocholate and tauromuricholate, which are essential regulators of lipid absorption. Expression and activity of major drug-metabolizing enzymes (Cyp3a11 and Cyp2c29) were also significantly stimulated. Remarkably, statistical modeling of the interactions between hepatic metabolic profiles and microbial composition analyzed by 16S rRNA gene pyrosequencing revealed strong associations of the Coriobacteriaceae family with both the hepatic triglyceride, glucose, and glycogen levels and the metabolism of xenobiotics. These data demonstrate the importance of microbial activity in metabolic phenotype development, indicating that microbiota manipulation is a useful tool for beneficially modulating xenobiotic metabolism and pharmacokinetics in personalized health care. IMPORTANCE: Gut bacteria have been associated with various essential biological functions in humans such as energy harvest and regulation of blood pressure. Furthermore, gut microbial colonization occurs after birth in parallel with other critical processes such as immune and cognitive development. Thus, it is essential to understand the bidirectional interaction between the host metabolism and its symbionts. Here, we describe the first evidence of an in vivo association between a family of bacteria and hepatic lipid metabolism. These results provide new insights into the fundamental mechanisms that regulate host-gut microbiota interactions and are thus of wide interest to microbiological, nutrition, metabolic, systems biology, and pharmaceutical research communities. This work will also contribute to developing novel strategies in the alteration of host-gut microbiota relationships which can in turn beneficially modulate the host metabolism.

Mammalian-microbial cometabolism of L-Carnitine in the context of atherosclerosis

g-butyrobetaine has long been known as the precursor of endogenous L-carnitine synthesis. In this issue, Koeth et al. (2014) demonstrate that it is also a major metabolite of L-carnitine degradation by gut bacteria that precedes the enteric production of trimethylamine and trimethylamine-N-oxide.

Impact of variation in structure of condensed tannins from sainfoin (Onobrychis viciifolia) on in vitro ruminal methan production and fermentation characteristics

Our study investigated the effects of condensed tannins (CT) on rumen in vitro methane (CH4) production and fermentation characteristics by incubating lucerne in buffered rumen fluid in combination with different CT extracts at 0 (control), 40, 80 and 120 g CT/kg of substrate DM. Condensed tannins were extracted from four sainfoin accessions: Rees ‘A’, CPI63763, Cotswold Common and CPI63767. Gas production (GP) was measured using a fully automated GP apparatus with CH4 measured at distinct time points. Condensed tannins differed substantially in terms of polymer size and varied from 13 (Rees ‘A’) to 73 (CPI63767) mean degree of polymerization, but had relatively similar characteristics in terms of CT content, procyanidin: prodelphinidin (PC: PD) and cis:trans ratios. Compared to control, addition of CT from CPI63767 and CPI63763 at 80 and 120 g CT/kg of substrate DM reduced CH4 by 43% and 65%, and by 23% and 57%, respectively, after 24-h incubation. Similarly, CT from Rees ‘A’ and Cotswold Common reduced CH4 by 26% and 46%, and by 28% and 46% respectively. Addition of increasing level of CT linearly reduced the maximum rates of GP and CH4 production, and the estimated in vitro organic matter digestibility. There was a negative linear and quadratic (p < 0.01) relation between CT concentration and total volatile fatty acid (VFA) production. Inclusion of 80 and 120 g CT/kg of substrate DM reduced (p < 0.001) branched-chain VFA production and acetate: propionate ratio and was lowest for CPI63767. A decrease in proteolytic activity as indirectly shown by a change in VFA composition favouring a shift towards propionate and reduction in branched-chain VFA production varied with type of CT and was highest for CPI63767. In conclusion, these results suggest that tannin polymer size is an important factor affecting in vitro CH4 production which may be linked to the CT interaction with dietary substrate or microbial cells.

Microbial Recognition Via Toll-Like Receptor-Dependent and -Independent Pathways Determines the Cytokine Response of Murine Dendritic Cell Subsets to CD40 Triggering

Dendritic cells (DC) can produce Th-polarizing cytokines and direct the class of the adaptive immune response. Microbial stimuli, cytokines, chemokines, and T cell-derived signals all have been shown to trigger cytokine synthesis by DC, but it remains unclear whether these signals are functionally equivalent and whether they determine the nature of the cytokine produced or simply initiate a preprogrammed pattern of cytokine production, which may be DC subtype specific. Here, we demonstrate that microbial and T cell-derived stimuli can synergize to induce production of high levels of IL-12 p70 or IL-10 by individual murine DC subsets but that the choice of cytokine is dictated by the microbial pattern recognition receptor engaged. We show that bacterial components such as CpG-containing DNA or extracts from Mycobacterium tuberculosis predispose CD8alpha(+) and CD8alpha(-)CD4(-) DC to make IL-12 p70. In contrast, exposure of CD8alpha(+), CD4(+) and CD8alpha(-)CD4(-) DC to heat-killed yeasts leads to production of IL-10. In both cases, secretion of high levels of cytokine requires a second signal from T cells, which can be replaced by CD40 ligand. Consistent with their differential effects on cytokine production, extracts from M. tuberculosis promote IL-12 production primarily via Toll-like receptor 2 and an MyD88-dependent pathway, whereas heat-killed yeasts activate DC via a Toll-like receptor 2-, MyD88-, and Toll/IL-1R domain containing protein-independent pathway. These results show that T cell feedback amplifies innate signals for cytokine production by DC and suggest that pattern recognition rather than ontogeny determines the production of cytokines by individual DC subsets.

Formulation of fermentation media from flour-rich waste streams for microbial lipid production by Lipomyces starkeyi

Flour-rich waste (FRW) and by-product streams generated by bakery, confectionery and wheat milling plants could be employed as the sole raw materials for generic fermentation media production, suitable for microbial oil synthesis. Wheat milling by-products were used in solid state fermentations (SSF) of Aspergillus awamori for the production of crude enzymes, mainly glucoamylase and protease. Enzyme-rich SSF solids were subsequently employed for hydrolysis of FRW streams into nutrient-rich fermentation media. Batch hydrolytic experiments using FRW concentrations up to 205 g/L resulted in higher than 90%(w/w) starch to glucose conversion yields and 40% (w/w) total Kjeldahl nitrogen to free amino nitro-gen conversion yields. Starch to glucose conversion yields of 98.2, 86.1 and 73.4% (w/w) were achieved when initial FRW concentrations of 235, 300 and 350 g/L were employed in fed-batch hydrolytic experiments, respectively. Crude hydrolysates were used as fermentation media in shake flask cultures with the oleaginous yeast Lipomyces starkeyi DSM 70296 reaching a total dry weight of 30.5 g/L with a microbial oil content of 40.4% (w/w), higher than that achieved in synthetic media. Fed-batch bioreactor cultures led to a total dry weight of 109.8 g/L with a microbial oil content of 57.8% (w/w) and productivity of 0.4 g/L/h.

Consumo e digestibilidade em bovinos em pastejo durante o período das águas sob suplementação com fontes de compostos nitrogenados e de carboidratos

Objetivou-se avaliar os efeitos de diferentes formas químicas de compostos nitrogenados (proteicos e não-proteicos) e de carboidratos (amiláceos e fibra solúvel) sobre o consumo, a digestibilidade e a síntese ruminal de proteína microbiana em bovinos sob suplementação durante o período das águas. Foram utilizados cinco novilhos mestiços Holandês × Zebu, com peso vivo (PV) médio inicial de 211 ± 35 kg, fistulados no rúmen e abomaso. Os tratamentos foram: controle (somente pasto); e suplementos formulados à base de milho + farelo de soja; milho + ureia; polpa cítrica + farelo de soja; e polpa cítrica + ureia. Os suplementos foram balanceados para apresentar 30% de proteína bruta (PB), com base na matéria seca (MS), e fornecidos na quantidade de 3 g/kg PV. O experimento foi conduzido segundo delineamento em quadrado latino 5 × 5, em esquema fatorial 2 × 2 + 1, composto de duas fontes de compostos nitrogenados, duas fontes de carboidratos e tratamento controle. O consumo de pasto reduziu com o fornecimento de suplementos, com coeficiente médio de substituição de 2,11 g de MS de pasto/g de MS de suplemento. A suplementação não alterou os coeficientes de digestibilidade total e ruminação da MS nem o teor dietético de nutrientes digestíveis totais (NDT). Os animais sob suplementação apresentaram maiores coeficientes de digestibilidade total e ruminal da proteína bruta. A eficiência de síntese de proteína microbiana (EFSM), média de 123,1 g PB microbiana/kg de NDT, não foi alterada pela suplementação. Contudo, os animais sob suplementação com milho apresentaram maior EFSM em comparação aos animais sob suplementação com polpa cítrica (137,6 e 106,1 g PB microbiana/kg de NDT, respectivamente). A suplementação proteico-energética para bovinos mantidos em pastos tropicais durante o período das águas não causa benefícios nutricionais, o que reflete o alto coeficiente de substituição da forragem pelo suplemento.

Teores de proteína bruta para bovinos alimentados com feno de capim-tifton 85: parâmetros ruminais, eficiência de síntese microbiana e degradabilidade in situ

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Effects of dry sugar cane yeast on the diet intake, digestibility and bovine rumen microbial populations

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Eficiência de síntese microbiana e atividade enzimática em bovinos submetidos à suplementação com enzimas fibrolíticas

Avaliou-se o efeito da suplementação com enzimas fibrolíticas (celulase e xilanase) sobre a eficiência de síntese microbiana e a atividade enzimática da beta-1,4-endoglucanase (celulase) em animais consumindo dietas contendo silagem de milho e feno de tifton 85 (Cynodon spp.) como volumoso. Oito bovinos com fístulas no rúmen e no duodeno foram distribuídos em dois quadrados latinos 4 x 4, em esquema fatorial 2 x 2 (duas fontes de volumoso e adição ou não de enzimas). O complexo enzimático, proveniente de fonte comercial e extraído dos fungos Aspergillus niger e Trichoderma longibrachiatum, foi fornecido misturado à ração total na proporção de 12 g/animal/dia. A adição de enzimas às dietas contendo silagem de milho e feno de tifton 85 aumentou a atividade da beta-1,4-endoglucanase no fluido ruminal. Não houve efeito das enzimas sobre a eficiência de síntese de proteína microbiana, o fluxo de nitrogênio microbiano (N-mic) e nitrogênio não-amoniacal (NNA), com valores médios de 31,8 e 33,9 g de N/kg de MODR; 0,40 e 0,41 g de N/Mcal de EDR; 78,2 e 52,5 g/dia; 89,6 e 76,3 g/dia, respectivamente, para as dietas contendo silagem de milho e feno de tifton. A adição de enzimas fibrolíticas não influenciou os parâmetros ruminais de bovinos alimentados com feno e silagem de milho.

Fermentação ruminal e produção de metano em bovinos alimentados com feno de capim-tifton 85 e concentrado com aditivos

Objetivou-se avaliar o efeito do uso de monensina, complexo de leveduras, ácidos graxos poliinsaturados e aminoácidos no consumo de matéria seca e nutrientes, na estimativa da digestibilidade ruminal, nos parâmetros de fermentação ruminal (pH, concentração de nitrogênio amoniacal e de ácidos graxos de cadeia curta), na população de protozoários e na produção de metano. Foram utilizados seis bovinos e com peso corporal de 530 ± 15 kg, recebendo complexo de leveduras, ácidos graxos poliinsaturados e aminoácidos (5 g/dia); monensina (5 g/dia); caulim (5 g/dia), usado como controle adicionado à dieta composta de feno de capim-tifton 85 (Cynodon spp.); e concentrado, na relação 80:20. O delineamento experimental adotado para análise do consumo e da digestibilidade foi o de blocos completos casualizados e, para análise dos parâmetros ruminais e da produção de metano, o de parcelas subdivididas. O consumo foi influenciado pelo uso de monensina na dieta, mas não diferiu entre os aditivos. As digestibilidades da matéria seca e dos nutrientes não foram influenciadas pelo fornecimento dos aditivos. A relação acetato:propionato nos animais alimentados com a dieta com monensina foi menor que naqueles que receberam o complexo de leveduras e ácidos graxos poliinsaturados e aminoácidos, diminuindo a perda de energia na forma de metano. O pH e a concentração de nitrogênio amoniacal foram adequados para o crescimento bacteriano. A concentração de metano não é alterada pelo uso dos aditivos testados.

Microbial rennet produced by Mucor miehei in solid-state and submerged fermentation

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Acidez total titulável, pH e tempo de redução do azul de metileno no fluido ruminal de caprinos mantidos em pastagens artificiais, exclusiva de gramíneas, ou em caatinga

O objetivo deste trabalho foi o de determinar a concentração hidrogeniônica (pH), acidez total titulável e tempo de redução do azul de metileno no fluido ruminal de caprinos com ou sem raça definida, mantidos em pastagens artificiais, exclusivas de gramíneas, ou em caatinga, durante as épocas chuvosa e seca do ano. O delineamento experimental foi inteiramente casualizado, sendo analisado em esquema fatorial 2³ (animais com e sem raça definida, pastagens artificiais e em caatinga, épocas chuvosa e seca do ano). O tipo de pastagem influenciou significativamente (p < 0,05) os valores encontrados para acidez total titulável. em relação ao pH, o tipo de pastagem e época do ano foram significativamente (p < 0,05) os fatores mais incisivos. A atividade microbiana, avaliada através dos parâmetros estudados, foi mais intensa na época das águas e na caatinga em relação à da seca e pastagens artificiais, respectivamente. Na avaliação dos resultados desses testes, deve-se sempre levar em consideração principalmente a época do ano e o tipo de pastagem, sem, no entanto, desprezar o fator raça.

Digestibilidade total e parcial e balanço nitrogenado em bovinos em pastejo no período das águas recebendo suplementos com nitrogênio não-proteico e/ou proteína verdadeira

Objetivou-se avaliar o efeito de diferentes relações entre proteína verdadeira e nitrogênio não-proteico sobre a digestibilidade, a síntese de proteína microbiana e o balanço de compostos nitrogenados em bovinos em pastejo durante o período das águas. Foram utilizados cinco novilhos mestiços Holandês × Zebu, castrados, com peso vivo inicial de 335±35 kg fistulados no rúmen e no abomaso. Os tratamentos foram: controle (somente pasto); e suplementos com ureia; com 2/3 de compostos nitrogenados oriundos da ureia e 1/3 de compostos nitrogenados oriundos da albumina; com 1/3 de compostos nitrogenados oriundos da ureia e 2/3 de compostos nitrogenados oriundos da albumina; e com albumina. Foram fornecidos 200 g/dia de proteína bruta (PB) a partir dos suplementos. O experimento foi conduzido segundo delineamento em quadrado latino 5 × 5, com cinco períodos experimentais, cada um de 15 dias. A suplementação não afetou os coeficientes de digestibilidade total nem o teor de nutrientes digestíveis totais da dieta; elevou as estimativas do coeficiente de digestibilidade aparente ruminal da PB, que migraram de negativa, no tratamento controle, para positivas, porém não diferentes de zero, nos tratamentos envolvendo suplementação. O fornecimento de suplementos elevou a concentração de nitrogênio amoniacal ruminal. O balanço de compostos nitrogenados aumentou com a suplementação. A substituição de ureia por albumina influenciou de forma cúbica o balanço de compostos nitrogenados, cuja estimativa foi maior para o suplemento com 1/3 de PB oriunda da ureia. A eficiência de síntese microbiana no rúmen não foi influenciada pelo fornecimento ou pela composição dos suplementos. A suplementação de bovinos em pastejo com fontes de compostos nitrogenados degradáveis durante o período das águas amplia a eficiência de uso do pasto, principalmente por ampliar a retenção de compostos nitrogenados no organismo.