Полное секвенирование генома выявляет вариабельность метаболических и иммунных систем у изолятов Propionibacterium freudenreichii
- Авторы: Антипенко И.Д.1, Венедюхина С.А.1, Сорокина Н.П.2, Кучеренко И.В.2, Смирнова Т.С.2, Рогов Г.Н.2, Шкурников М.Ю.1
-
Учреждения:
- Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
- Всероссийский научно-исследовательский институт маслоделия и сыроделия – филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН
- Выпуск: Том 17, № 4 (2025)
- Страницы: 72-82
- Раздел: Экспериментальные статьи
- URL: https://journal-vniispk.ru/2075-8251/article/view/365061
- DOI: https://doi.org/10.32607/actanaturae.27764
- ID: 365061
Цитировать
Аннотация
Бактерии Propionibacterium freudenreichii играют важную роль в производстве сыров швейцарского типа, однако геномная вариабельность штаммов, влияющая на их технологические свойства, остается недостаточно изученной. Охарактеризованы метаболические и генетические различия промышленных штаммов P. freudenreichii. Сопоставление фенотипических и геномных данных позволяет выявлять маркеры технологически значимых признаков и использовать их для скрининга новых штаммов. Это создает основу для подбора консорциумов с заданными свойствами и разработки заквасочных культур с улучшенными производственными характеристиками. В работе проведено полногеномное секвенирование и сравнительный анализ пяти промышленных штаммов P. freudenreichii. Эти штаммы, несмотря на их высокую геномную идентичность, различались газообразованием и метаболизмом субстратов. Филогенетический анализ показал близость штамма P. freudenreichii FNCPS 828 к подвидy P. freudenreichii subsp. shermanii (z-score = 0.99948), который не способен восстанавливать нитраты, но метаболизирует лактозу. Ген narG, кодирующий альфа-субъединицу нитратредуктазы, идентифицирован только у одного из пяти проанализированных штаммов — FNCPS 828, а также у 39% ранее описанных штаммов P. freudenreichii, что указывает на этот ген как на потенциальный маркер нитратвосстанавливающей активности. Анализ 112 геномов P. freudenreichii выявил систему CRISPR-Cas I-G у 74% штаммов, а тип I-E только примерно у 25%. Все пять изученных штаммов содержали систему типа I-G; у FNCPS 3 также обнаружена полноценная система I-E с наибольшим числом CRISPR-спейсеров, включая соответствовавшие геномам ранее опубликованных бактериофагов. Наиболее распространенные антифаговые системы включали RM I и IV, AbiE, PD-T4-6, HEC-06 и ietAS. Таким образом, выявлено генетическое разнообразие штаммов P. freudenreichii, имеющее значение для их промышленного применения. Обнаружение narG в качестве потенциального маркера восстановления нитратов, а также детальное картирование систем CRISPR-Cas расширяют возможности рационального подбора и инженерной оптимизации заквасочных культур P. freudenreichii с заданными метаболическими свойствами и устойчивостью к бактериофагам.
Ключевые слова
Об авторах
Иван Денисович Антипенко
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Автор, ответственный за переписку.
Email: iantipenko@hse.ru
ORCID iD: 0009-0002-1139-6162
факультет биологии и биотехнологии, лаборатория исследований молекулярных механизмов долголетия
Россия, Москва, 101000София Александровна Венедюхина
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Email: inbox@sofia.vened.ru
ORCID iD: 0009-0002-0266-0566
факультет биологии и биотехнологии, лаборатория исследований молекулярных механизмов долголетия
Россия, Москва, 101000Нинель Петровна Сорокина
Всероссийский научно-исследовательский институт маслоделия и сыроделия – филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН
Email: n.sorokina@fncps.ru
ORCID iD: 0000-0002-1108-3695
Россия, Углич, 109316
Ирина Валентиновна Кучеренко
Всероссийский научно-исследовательский институт маслоделия и сыроделия – филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН
Email: i.kucherenko@fncps.ru
ORCID iD: 0000-0001-8251-992X
Россия, Углич, 109316
Татьяна Сергеевна Смирнова
Всероссийский научно-исследовательский институт маслоделия и сыроделия – филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН
Email: t.smirnova@fncps.ru
Россия, Углич, 109316
Григорий Новомирович Рогов
Всероссийский научно-исследовательский институт маслоделия и сыроделия – филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН
Email: g.rogov@fncps.ru
Россия, Углич, 109316
Максим Юрьевич Шкурников
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Email: mshkurnikov@hse.ru
факультет биологии и биотехнологии, лаборатория исследований молекулярных механизмов долголетия
Россия, Москва, 101000Список литературы
- de Rezende Rodovalho V, Rodrigues DLN, Jan G, Le Loir Y, de Carvalho Azevedo VA, Guédon E. Propionibacterium freudenreichii: General characteristics and probiotic traits. Prebiotics and Probiotics-From Food to Health. Published online 2021.
- Turgay M, Falentin H, Irmler S, et al. Genomic rearrangements in the aspA-dcuA locus of Propionibacterium freudenreichii are associated with aspartase activity. Food Microbiol. 2022;106:104030.
- Loux V, Mariadassou M, Almeida S, et al. Mutations and genomic islands can explain the strain dependency of sugar utilization in 21 strains of Propionibacterium freudenreichii. BMC Genomics. 2015;16(1):296.
- Piwowarek K, Lipińska E, Hać-Szymańczuk E, Kieliszek M, Kot AM. Sequencing and analysis of the genome of Propionibacterium freudenreichii T82 strain: Importance for industry. Biomolecules. 2020;10(2):348.
- Coronas R, Zara G, Gallo A, et al. Propionibacteria as promising tools for the production of pro-bioactive scotta: A proof-of-concept study. Front Microbiol. 2023;14:1223741.
- Gautier M, Rouault A, Sommer P, Briandet R. Occurrence of Propionibacterium freudenreichii bacteriophages in Swiss cheese. Appl Environ Microbiol. 1995;61(7):2572-2576.
- Cheng L, Marinelli LJ, Grosset N, et al. Complete genomic sequences of Propionibacterium freudenreichii phages from Swiss cheese reveal greater diversity than Cutibacterium (formerly Propionibacterium) acnes phages. BMC Microbiol. 2018;18(1):19.
- Prjibelski A, Antipov D, Meleshko D, Lapidus A, Korobeynikov A. Using SPAdes de novo assembler. Curr Protoc Bioinformatics. 2020;70(1):e102.
- Langdon WB. Performance of genetic programming optimised Bowtie2 on genome comparison and analytic testing (GCAT) benchmarks. BioData Min. 2015;8:1-7.
- Li H, Handsaker B, Wysoker A, et al. The sequence alignment/map format and SAMtools. Bioinformatics. 2009;25(16):2078-2079.
- Walker BJ, Abeel T, Shea T, et al. Pilon: an integrated tool for comprehensive microbial variant detection and genome assembly improvement. PLoS One. 2014;9(11):e112963.
- Gurevich A, Saveliev V, Vyahhi N, Tesler G. QUAST: quality assessment tool for genome assemblies. Bioinformatics. 2013;29(8):1072-1075.
- Seppey M, Manni M, Zdobnov EM. BUSCO: assessing genome assembly and annotation completeness. Gene Prediction: Methods and Protocols. Published online 2019:227-245.
- Tatusova T, DiCuccio M, Badretdin A, et al. NCBI prokaryotic genome annotation pipeline. Nucleic Acids Res. 2016;44(14):6614-6624. doi: 10.1093/nar/gkw569
- Olson RD, Assaf R, Brettin T, et al. Introducing the Bacterial and Viral Bioinformatics Resource Center (BV-BRC): a resource combining PATRIC, IRD and ViPR. Nucleic Acids Res. 2023;51(D1):D678-D689. doi: 10.1093/nar/gkac1003
- Brettin T, Davis JJ, Disz T, et al. RASTtk: A modular and extensible implementation of the RAST algorithm for building custom annotation pipelines and annotating batches of genomes. Sci Rep. 2015;5(1):8365. doi: 10.1038/srep08365
- Payne LJ, Meaden S, Mestre MR, et al. PADLOC: a web server for the identification of antiviral defence systems in microbial genomes. Nucleic Acids Res. 2022;50(W1):W541-W550. doi: 10.1093/nar/gkac400
- Couvin D, Bernheim A, Toffano-Nioche C, et al. CRISPRCasFinder, an update of CRISRFinder, includes a portable version, enhanced performance and integrates search for Cas proteins. Nucleic Acids Res. 2018;46(W1):W246-W251. doi: 10.1093/nar/gky425
- Langmead B, Salzberg SL. Fast gapped-read alignment with Bowtie 2. Nat Methods. 2012;9(4):357-359.
- Richter M, Rosselló-Móra R, Oliver Glöckner F, Peplies J. JSpeciesWS: a web server for prokaryotic species circumscription based on pairwise genome comparison. Bioinformatics. 2016;32(6):929-931. doi: 10.1093/bioinformatics/btv681
- Lee I, Ouk Kim Y, Park SC, Chun J. OrthoANI: An improved algorithm and software for calculating average nucleotide identity. Int J Syst Evol Microbiol. 2016;66(2):1100-1103. doi: 10.1099/ijsem.0.000760
- Atasever M, Mazlum H. Biochemical Processes During Cheese Ripening. Veterinary Sciences and Practices. 2024;19(3):174-182.
- Shu L, Wang Q, Jiang W, et al. The roles of diol dehydratase from pdu operon on glycerol catabolism in Klebsiella pneumoniae. Enzyme Microb Technol. 2022;157:110021.
- de Freitas R, Madec MN, Chuat V, et al. New insights about phenotypic heterogeneity within Propionibacterium freudenreichii argue against its division into subspecies. Dairy Sci Technol. 2015;95(4):465-477. doi: 10.1007/s13594-015-0229-2
- Lledó B, Martınez-Espinosa RM, Marhuenda-Egea FC, Bonete MJ. Respiratory nitrate reductase from haloarchaeon Haloferax mediterranei: biochemical and genetic analysis. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-General Subjects. 2004;1674(1):50-59.
- Maske BL, de Melo Pereira GV, da Silva Vale A, Souza DSM, Lindner JDD, Soccol CR. Viruses in fermented foods: Are they good or bad? Two sides of the same coin. Food Microbiol. 2021;98:103794.
- Payne LJ, Hughes TCD, Fineran PC, Jackson SA. New antiviral defences are genetically embedded within prokaryotic immune systems. bioRxiv. Published online 2024:2021-2024.
- Gao L, Altae-Tran H, Böhning F, et al. Diverse enzymatic activities mediate antiviral immunity in prokaryotes. Science (1979). 2020;369(6507):1077-1084.
- Makarova KS, Wolf YI, Iranzo J, et al. Evolutionary classification of CRISPR–Cas systems: a burst of class 2 and derived variants. Nat Rev Microbiol. 2020;18(2):67-83.
- Aburjaile FF, Rohmer M, Parrinello H, et al. Adaptation of Propionibacterium freudenreichii to long-term survival under gradual nutritional shortage. BMC Genomics. 2016;17(1):1007. doi: 10.1186/s12864-016-3367-x
- Kosmider A, Drozdzynska A, Blaszka K, Leja K, Czaczyk K. Propionic acid production by Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii using crude glycerol and whey lactose industrial wastes. Pol J Environ Stud. 2010;19(6):1249-1253.
- de Assis DA, Machado C, Matte C, Ayub MAZ. High cell density culture of dairy propionibacterium sp. and acidipropionibacterium sp.: A review for food industry applications. Food Bioproc Tech. 2022;15(4):734-749.
- Dank A, Abee T, Smid EJ. Expanded metabolic diversity of Propionibacterium freudenreichii potentiates novel applications in food biotechnology. Curr Opin Food Sci. 2023;52:101048.
- Dalmasso M, Nicolas P, Falentin H, et al. Multilocus sequence typing of Propionibacterium freudenreichii. Int J Food Microbiol. 2011;145(1):113-120.
- Georjon H, Bernheim A. The highly diverse antiphage defence systems of bacteria. Nat Rev Microbiol. 2023;21(10):686-700.
- Deptula P, Laine PK, Roberts RJ, et al. De novo assembly of genomes from long sequence reads reveals uncharted territories of Propionibacterium freudenreichii. BMC Genomics. 2017;18(1):790.
- Fatkulin AA, Chuksina TA, Sorokina NP, et al. Comparative Analysis of Spacer Targets in CRISPR-Cas Systems of Starter Cultures. Acta Naturae. 2024;16(4):81-85.
- Bücher C, Burtscher J, Domig KJ. Propionic acid bacteria in the food industry: An update on essential traits and detection methods. Compr Rev Food Sci Food Saf. 2021;20(5):4299-4323.
Дополнительные файлы
