Seda, kuidas tõrksate kiudainete lagundamine jämesooles toimuda võiks, selgitab uus kõhubakteri valgu struktuur, mis tehti kindlaks Tartu Ülikooli ja Tallinna Tehnikaülikooli teadlaste koostöös. Teadustööst kirjutab Tartu Ülikooli geneetika dotsent Tiina Alamäe, kes on mikroobsete valkude uurimisgrupi juht.

Head kõhubakterid toituvad taimsetest kiudainetest

Kiudaineterikas toit on inimese tervisele hea, sest ergutab kasulike jämesoolebakterite elutegevust ja hoiab ära kõhukinnisust. Jämesoole mikroobikooslus on kohanenud menüüga, millesse kuuluvad vaid meie igapäevase toidu seedumata ülejäägid. Nende hulgas on ka kiudained – täisteraviljas, erinevates puu- ja juurviljades leiduvad polümeersed suhkrud.

Soolebakterid on neid keerulise ehitusega aineid lagundama õppinud miljonite aastate jooksul, mil nad on inimesega koos elanud. Bakterid sünteesivad selleks vajalikke ensüüme. Inimese enda seedeensüümid suudavad polüsahhariididest lagundada vaid tärklist. Soolebakterid lagundavad kiudained lihtsuhkruteks, mis kääritatakse edasi rasvhapeteks ja need toidavad ning kaitsevad soolestikku vooderdavaid epiteelirakke. Peale selle on rasvhapetel veel teisigi tervisele kasulikke toimeid.

Looduslikest kiudainetest on tuntuim siguri juurtest toodetav fruktoosi polümeer inuliin ja selle töötlemisel saadavad frukto-oligosahhariidid. Neid lisatakse näiteks imikute piimasegudele, jogurtitele, margariinile ja probiootiliste piimhapebakterite preparaatidele nende toime tõhustamiseks.

Inuliini saab ka toidust. Eestis kasvavatest inuliinirikastest taimedest on populaarne näiteks maapirn. Inuliinist palju vähem tuntud on teine fruktoosist koosnev looduslik polümeer – levaan. Inuliin ja levaan erinevad fruktoosi jääkide vahel esineva keemilise sideme tüübi poolest.

Levaani sünteesivad peamiselt bakterid, kuid seda leidub ka kõrrelistes taimedes. Levaanil ja frukto-oligosahhariididel on näidatud kasulikke toimeid inimese soolekooslusele, kuid kõrgete tootmiskulude tõttu on neid veel väga vähe uuritud.

Levaan kui uudne kiudaine

Tartu Ülikooli teadlased on näidanud, et levaani saab edukalt sünteesida tavalisest lauasuhkrust – sahharoosist. Selleks kasutavad nad taimedel elava bakteri Pseudomonas syringae ensüümi levaansukraasi. See eriti aktiivne ja stabiilne ensüüm sobib väga hästi biotehnoloogias kasutamiseks.

Selleks, et levaanist frukto-oligosahhariide toota, on vaja n-ö tööriista, mis tükeldaks levaaniahela soovitud pikkusega juppideks. Sobivaks levaani tükeldajaks osutus inimese jämesoolebakteri Bacteroides thetaiotaomicron endo-levanaas – bakteri pinnal paiknev ensüüm, milleta bakter ei suuda levaani toiduks kasutada.

Levaan on tükeldamiseks keeruline molekul, sest koosneb väga pikkadest ahelatest, mis on enamasti ka hargnenud. Seetõttu huvitas teadlasi, milline see ensüüm välja näeb, kuidas ta kinnitub levaanile ja kuidas toimub ahela tükeldamine.

Vastuse saamiseks otsustas Tartu Ülikooli doktorant Karin Ernits endo-levanaasi kristalliseerida, et ensüümi oleks võimalik lähemalt vaadelda. Ernitsale tulid valgukristallide uurimisel appi Tallinna Tehnikaülikooli keemia ja biotehnoloogia instituudi struktuuribioloogid Priit Eek ja Tiit Lukk. Eduka koostöö tulemusena, mida rahastas Eesti Teadusagentuur, valmis teadusartikkel "First crystal structure of an endo-levanase – the BT1760 from a human gut commensal Bacteroides thetaiotaomicron", mis ilmus Springer Nature kirjastuse ajakirjas Scientific Reports 11. juunil 2019.

Ensüümi struktuuri analüüs näitas, et endo-levanaasil on sügava kausi kujuline tasku, millesse pikk levaaniahel peab painduma, et tasku põhjas saaks toimuda ahelasse lõike tegemine.

Karin Ernits näitas ka seda, et endo-levanaasi lisamoodul, mis võiks põhimõtteliselt aidata levaaniahelat valgu külge siduda, seda siiski ei tee, ning selle rolliks on pigem valgu kooshoidmine.

Tõenäoliselt aitavad levaaniahelat kinni hoida ka bakteri pinnal endo-levanaasi kõrval paiknevad valgud. Levaani tükeldamisel moodustuvad frukto-oligosahhariidid viiakse bakterirakku, kuid neid saavad ilmselt toiduks kasutada ka teised läheduses paiknevad soolebakterid.

Kuigi kiudainete tarbimise tervistav mõju inimesele on paljude uuringute raames tõestust leidnud, siis kõhubakterite valke, mis kiudainete lagunemise sooles võimalikuks teevad, on veel väga vähe iseloomustatud. Kahe ülikooli ühine uuring näitas, kuidas soolebakter lagundab seni veel vähe uuritud kiudainet – levaani. Uuritavat endo-levanaasi saab kasutada ka biotehnoloogias levaanist uudsete tervistavate frukto-oligosahhariidide tootmiseks.          

Seda uuringut käsitleb ka Karin Ernitsa doktoritöö Levansucrase Lsc3 and endo-levanase BT1760: characterization and application for the synthesis of novel prebiotics, mis tuleb kaitsmisele 17. oktoobril Tartu Ülikooli molekulaar- ja rakubioloogia instituudis.