Effect of muschrooms β-glucans on gut microbiome's metabolome & metataxonome

Abstract

Mushrooms assume a notable role in shaping the composition and functionality of the gut microbiota, a pivotal determinant of overall health. These kinds of fungi are rich sources of dietary fiber, notably beta-glucans. Beta-glucans, remain indigestible in the colon where they undergo fermentation by the gut microbiota, thus enhancing populations of beneficial bacterial communities important for health such as Bifidobacterium and Lactobacillus. Furthermore, mushrooms contain bioactive compounds such as terpenoids, amino acids and polyphenols, exerted regulatory effects on the gut immune response, dampening inflammation, and bolstering the mucosal barrier. Hence, the consumption of mushrooms emerges as a strategic dietary intervention for fostering a resilient and diverse gut microbiota, with promising implications for overall health and disease mitigation. The gut microbiota is known to contribute to the organism's defence against invading pathogens, to boost the immune function, to regulate various metabolic pathways, and to overall promoting the host’s health. The interconnection of the multifaceted properties of mushroom consituents with their potential prebiotic actions within the context of their interaction with the gut microbiota, is intricate and has been a subject of intensive scientific research of the last decade. The distinct metabolome of different mushrooms varieties as well as the heterogeneity of gut microflora adds to the complexity of the host microbiota-mushroom interplay. In this doctoral thesis, the impact of the in vitro fermentation of full body edible mushrooms of the Greek habitat by the gut microbiota of healthy elderly volunteers was conducted. The scientific research was carried out through comprehensive metataxonomic and metabolomic analyses. The methodologies employed throughout the doctoral dissertation encompassed Next Generation Sequencing (NGS) for metataxonomics analysis and Nuclear Magnetic Resonance (NMR) for untargeted metabolomics analyses. Through a thorough mapping of the alterations in the composition of the gut microbiota and the metabolites alterations resulting from in vitro fermentation of the studied edible mushrooms by the gut microbiota, the following outcomes were assessed: a) the identification of the most promising mushroom that promotes effectively the growth of health-beneficial bacteria, b) the clarification of the role of the gut microbiome metabolic activity in human health, and c) the potential elucidation of the interplay between the gut microbiome and the host organism at metabolomics level. The results of the present doctoral dissertation have led to: The identification and quantitative assessment of 37 metabolites of the gut microbiota metabolism resulting from the fermentation of the studied edible mushrooms, shedding light on their role in the host organism. The establishment of Pleurotus Eryngii as a privileged substrate due to its positive impact on the growth of beneficial bacterial populations and the production of beneficial metabolites following fermentation with the specific species. The identification and relative changes in microbial communities associated with the presence of the Pleurotus Eryngii substrate.Entirely, the outcomes of this doctoral dissertation provide substantial evidence supporting the promotion of host health through the consumption of Pleurotus Eryngii mushroom.

Τα μανιτάρια παρουσιάζουν ένα σημαντικό ρόλο στη λειτουργικότητα του μικροβιώματος του εντέρου, έναν κρίσιμο παράγοντα για τη συνολική υγεία του ξενιστή. Αυτού του είδους οι μύκητες αποτελούν πλούσιες πηγές διαιτητικών ινών, ιδίως των βήτα-γλυκανών. Οι βήτα-γλυκάνες παραμένουν άπεπτες στο παχύ έντερο, όπου υφίστανται ζύμωση από το μικροβίωμα του εντέρου, ενισχύοντας έτσι τους πληθυσμούς των ευεργετικών βακτηριδίων σημαντικών για την υγεία, όπως τα γένη Bifidobacterium και τα Lactobacillus. Επιπλέον, τα μανιτάρια περιέχουν βιοδραστικές ενώσεις, όπως τερπενοειδή, αμινοξέα και πολυφαινόλες, που έχουν ρυθμιστικές επιδράσεις στην ανοσοαπόκριση του εντέρου, μειώνοντας τις φλεγμονώδεις αντιδράσεις και ενισχύοντας το βλεννογόνο. Επομένως, η κατανάλωση μανιταριών μπορεί να χαρακτηριστεί ως στρατηγική διατροφική παρέμβαση για την ενίσχυση των ευεργετικών μικροοργανισμών του εντερικού μικροβιώματος, με ελπιδοφόρες επιπτώσεις στη συνολική υγεία του ξενιστή. Είναι γνωστό ότι o εντερικός μικροβιόκοσμος συνεισφέρει στην άμυνα του οργανισμού έναντι εισβολών παθογόνων μικροοργανισμών, ενισχύει το ανοσοποιητικό σύστημα, συμμετέχει στη ρύθμιση διαφόρων μεταβολικών οδών και συντελεί γενικά ευεργετικά στην υγεία του οργανισμού. Η διασύνδεση των πολλαπλών ιδιοτήτων των συστατικών των βρώσιμων μανιταριών με τις εν δυνάμει πρεβιοτικές τους δράσεις, στο πλαίσιο της αλληλεπίδρασής τους με τους μικροοργανισμούς του εντέρου, παραμένει κεντρικό ερώτημα και αποτελεί αντικείμενο έντονης έρευνας την τελευταία δεκαετία. Στη παρούσα διδακτορική διατριβή επιχειρήθηκε η in vitro μελέτη της επίδρασης της ζύμωσης πλούσιων σε β-γλυκάνες εδώδιμων μανιταριών της Ελληνικής υπαίθρου από το εντερικό μικροβίωμα υγιούς ενήλικου πληθυσμού σε επίπεδο ολιστικής μεταταξονομικής και μεταβολομικής ανάλυσης. Οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν στο σύνολο της διδακτορικής διατριβής περιλαμβάνουν την Αλληλούχιση Nέας Γενιάς (Next Generation Sequencing – NGS) και τον Πυρηνικό Μαγνητικό Συντονισμό (Nuclear Magnetic Resonance – NMR). Από την ενδελεχή χαρτογράφηση των μεταβολών της σύνθεσης του εντερικού μικροβιώματος καθώς και των μεταβολιτών έπειτα από την in vitro ζύμωση των εδώδιμων μανιταριών από τον εντερικό μικροβιόκοσμο, αξιολογήθηκε α) η ανάδειξη του μανιταριού που προάγει περισσότερο την ανάπτυξη των ευεργετικών για την υγεία βακτηρίων β) η αποσαφήνιση του ρόλου του εντερικού μικροβιώματος στην ανθρώπινη υγεία και γ) η διευκρίνηση του μηχανισμού αλληλεπίδρασης του εντερικού μικροβιώματος με τον οργανισμό του ξενιστή. Τα αποτελέσματα της διατριβής οδήγησαν:Στην ταυτοποίηση και ποσοτικοποίηση 37 μεταβολιτών του εντερικού μικροβιώματος ως αποτέλεσμα της ζύμωσης των εδώδιμων μανιταριών διευκρινίζοντας τις θετικές ευεργετικές τους επιδράσεις στον οργανισμό του ξενιστή. Στην ανάδειξη του εδώδιμου μανιταριού Pleurotus Eryngii, ως το υπόστρωμα με τα βέλτιστα χαρακτηριστικά καθώς η παρουσία του στη διαδικασία ζύμωσης οδήγησε σε στατιστικά σημαντική αύξηση της αφθονίας των ωφέλιμων βακτηρίων και ωφέλιμων μεταβολιτώνΣτην ταυτοποίηση και σχετική μεταβολή των κοινοτήτων των μικροοργανισμών που αναδεικνύονται με την παρουσία του υποστρώματος P. Eryngii. Τα αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής, στο συνολό τους, βρίσκονται σε συμφωνία με προηγούμενες επιστημονικές μελέτες και παρέχουν ουσιαστικά στοιχεία που υποστηρίζουν την προαγωγή της υγείας του ξενιστή μέσω του εξεταζόμενου βρώσιμου μανιταριού.