Kationisches antimikrobielles ε-Polylysin in Lebensmittelqualität verändert vorübergehend die mikrobielle Darmgemeinschaft und die vorhergesagte Metagenomfunktion in CD-1-Mäusen1-Mäusen

Ein kationisches antimikrobielles Biopolymer beeinflusst die Vielfalt der Darmgemeinschaft von Mäusen

40 weibliche und 40 männliche 6 Wochen alte CD-1-Mäuse wurden nach dem Zufallsprinzip in vier Gruppen aufgeteilt und nach Geschlecht getrennt (d. h. 10 weibliche und 10 männliche Mäuse).d. h. 10 weibliche und 10 männliche Mäuse pro Gruppe) aufgeteilt und mit einer 20%igen fettreichen Diät gefüttert, die mit (i) Maltodextrin allein (MD), das als Kontrolle diente, (ii) Maltodextrin + ε-Polylysin (PL), (iii) Maltodextrin + Pektin (P) und (iv) Maltodextrin + ε-Polylysin + Pektin (PL-P) ergänzt wurde. Frühere Studien haben gezeigt, dass Mäuse, die zusammen untergebracht sind, ähnliche mikrobielle Gemeinschaften im Darm aufweisen.38, 39 Daher wurden gepoolte Kotpellets aus jedem Käfig in 24-Stunden-Stoffwechselkäfigen gesammelt und zu drei Zeitpunkten analysiert: Woche 1 (Grundlinie), Woche 5 (Zwischenphase) und Woche 9 (Endphase) (Abb. 1). Körpergewicht und Nahrungsaufnahme variierten unabhängig von der Behandlungsgruppe und über den gesamten Versuchszeitraum nicht.

Um die phylogenetische Vielfalt zu charakterisieren, wurde das 16S rRNA-Gen V3/V4-Fragment sequenziert, um nach der Filterung 15.739.734 Qualitätsleseproben zu erhalten.40 Dies ergab eine mittlere Probentiefe von 327.911 Sequenzier-Reads pro Bakteriengemeinschaft. Zur Bewertung der α-Diversität innerhalb einer bestimmten Gemeinschaft wurde die Anzahl der beobachteten operationalen taxonomischen Einheiten (OTUs) mithilfe von gewichtetem UniFrac berechnet.41 Die Seltenheitskurven für die beobachteten OTUs (Abb. S1) näherten sich einer Asymptote, die unabhängig von der Ernährung, der Probenahmestelle und dem Geschlecht war, was darauf hindeutet, dass die Sequenzierungstiefe die OTU-Vielfalt in den Gemeinschaften, die aus den Fäkalproben extrahiert wurden, ausreichend abdeckte.

Auf Phylum-Ebene machte die Summe der Actinobacteria, Bacteroidetes, Deferribacteres, Firmicutes, Proteobacteria und Verrucomicrobia mehr als 99 % der in allen analysierten Proben identifizierten OTUs aus. Wie bereits berichtet,42, 43 besteht das Darmmikrobiom der Maus aus relativ großen Beiträgen der Phyla Bacteroidetes und Firmicutes (Abb. 2). Dies stimmt mit anderen Darmgemeinschaften von Säugetieren, einschließlich Menschen und nicht-menschlichen Primaten, überein.44, 45 Die relativen Häufigkeiten von Bacteriodetes (p < 0,05) und Firmicutes (p < 0,05) veränderten sich jedoch als Reaktion auf das jeweilige Biopolymer in der Nahrung (mehrseitige ANOVA) (Abb. 2). Interessanterweise zeigten Mäuse, die mit dem ε-Polylysin-Pektin-Komplex gefüttert wurden, eine Zunahme der Bacteriodetes um 8,82 % (p < 0,05, mehrseitige ANOVA Tukey HSD post-hoc) mit einer entsprechenden Abnahme der den Firmicutes zugeordneten OTUs um 11,13 % (p < 0,05, mehrseitige ANOVA Tukey HSD post-hoc). Dies ist relativ zu der in der mit Maltodextrin gefütterten Kontrollgruppe ermittelten Gemeinschaftsstruktur (Tabelle S1). Darüber hinaus wiesen die mit ε-Polylysin (d. h. ohne Pektinkomplex) gefütterten Mäuse in der mittleren Phase (d. h. nach 5 Wochen) der Studie eine Gemeinschaft auf, die relativ arm an Firmicutes war. Bemerkenswerterweise stiegen die OTUs der Firmicutes zum Zeitpunkt der 9-wöchigen Probenahme wieder auf ihre ursprüngliche Konzentration an (Ausgangswert: 55,24 %, Zwischenwert: 34,71 %, Endpunkt: 59,01 %, Ausgangswert vs. Zwischenwert: p < 0,05, Zwischenwert vs. Endwert: p < 0,05, mehrstufige ANOVA Tukey HSD post-hoc) (Abb. 2 und Tabelle S3). Die gleiche adaptive Reaktion zeigte sich darin, dass der relative Anteil der Bacteriodetes-OTUs nach 5 Wochen Fütterung vorübergehend anstieg und sich zum letzten Zeitpunkt den ursprünglichen Konzentrationen annäherte (Ausgangswert: 35,40 %, Zwischenwert: 51,18 %, Endpunkt: 28,82 %, Ausgangswert vs. Zwischenwert: p < 0,05, Zwischenwert vs. Endwert: p < 0,05, mehrseitige ANOVA Tukey HSD post-hoc) (Abb. 2 und Tabelle S3). Ein ähnlicher vorübergehender Anstieg der Verrucomicrobia trat bei Mäusen auf, die nur mit Pektin gefüttert wurden, um dann zum letzten Probenahmezeitpunkt auf die ursprünglichen Werte zu fallen (Ausgangswert: 0,59 %, Zwischenwert: 5,46%, Endpunkt: 1,01%, Ausgangswert vs. Zwischenwert: p < 0,05, Zwischenwert vs. Endwert: p < 0,05 multi-way ANOVA Tukey HSD post-hoc) (Abb. 2 und Tabelle S4). Insgesamt deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass spezifische Biopolymere in Lebensmittelqualität die Repräsentation der Phyla im Darm von Mäusen vorübergehend steuern. Dies wurde beobachtet, wenn sowohl ε-Polylysin als auch Pektin einzeln aufgenommen wurden. Wurde jedoch ε-Polylysin mit dem anionischen Pektin komplexiert, wurde dieses Phänomen nicht beobachtet. Es ist bemerkenswert, dass signifikante Populationsveränderungen innerhalb der Actinobacteria, Deferribacteres und Proteobacteria unabhängig von der Ernährung nicht beobachtet wurden (Tabelle S5).

Neben der Störung der Gemeinschaft auf Phylum-Ebene veränderten sich mehrere Bakteriengattungen als Reaktion auf die Nahrungsbiopolymere. Dazu gehören Mitglieder der Gattung Bacteroides, die die am häufigsten vorkommenden Taxa im Mäusedarm waren (14,32 ± 9,58 % in allen Proben). Insgesamt (über beide Geschlechter und Probenahmestellen hinweg) variierte der Anteil der Bacteroides je nach Biopolymer-Fütterungsgruppe. Entsprechend der Reaktion des Stammes der Bacteroidetes erhöhten sich die Populationen von Bacteroides spp. durch die Behandlung mit ε-Polylysin (p < 0,05, mehrstufige ANOVA Tukey HSD post-hoc) und ε-Polylysin-Pektin-Komplex (p < 0,05, mehrstufige ANOVA Tukey HSD post-hoc) um 7,95 bzw. 7,46 % im Vergleich zur Maltodextrin-Kontrollgruppe (Abb. 3 und Tabelle S6). Andere Bakterienpopulationen, die durch das Fütterungsregime moduliert wurden, waren Adlercreutzia, Lactobacillus, Turicibacter und Ruminococcus (mehrseitige ANOVA, p < 0,05). Insbesondere nahm die Häufigkeit von Adlercreutzia unabhängig vom Biopolymer im Vergleich zur mit Maltodextrin gefütterten Gruppe ab. Bei Mäusen, die mit ε-Polylysin, Pektin bzw. ε-Polylysin-Pektin-Komplexen gefüttert wurden, verringerte sich ihre relative Population um 0,18 %, 0,22 % bzw. 0,24 %. Darüber hinaus nahm die Gattung Ruminococcus als Reaktion auf ε-Polylysin signifikant um 1,39 % und in der Pektingruppe um 1,44 % ab. Darüber hinaus verringerte sich der Lactobacillus-Gehalt in der ε-Polylysin-Pektin-Komplex-Diät signifikant um 4,95 %, was auf eine allgemeine Verringerung der Firmicutes in dieser Gruppe hinweist. Dies steht im Gegensatz zur Pektin-Diät, die im Vergleich zu den anderen drei Diäten zu einer Anreicherung von Turicibacter führte. Ein vollständiger Katalog der Gattungen, die auf die Biopolymere unterschiedlich reagieren, findet sich in Tabelle S6.

Maltodextrin wird in der Regel als Verdickungsmittel oder Füllstoff in verschiedenen Ernährungsanwendungen eingesetzt. Dieses Polysaccharid wurde bei der Formulierung aller Behandlungsdiäten verwendet und diente somit als Kontrolle, um festzustellen, ob Maltodextrin allein die Bakterien anreichert, die in der Lage sind, die α-1-4-glykosidischen Bindungen zwischen d-Glukoseresten zu hydrolysieren. So wurde die relative Häufigkeit von Coprococcus im Mäusedarm durch den Verzehr von Maltodextrin in der Nahrung angereichert. Die Reaktionskurve umfasste einen signifikanten Anstieg zwischen dem Ausgangswert und den Zwischenwerten sowie zwischen dem Ausgangswert und dem letzten Zeitpunkt (Ausgangswert: 0,56 %, Zwischenwert: 0,98%, Endpunkt: 0,91%, Ausgangswert vs. Zwischenwert: p < 0,05, Ausgangswert vs. Endwert: p < 0,05) (Abb. 3 und Tabelle S7).

In der ε-Polylysin-Behandlungsgruppe nahm die relative Häufigkeit von Bacteroides vorübergehend zu, was mit der Oszillation auf Stammesebene übereinstimmt (Ausgangswert: 8,85%, Zwischenwert: 34,40%, Endpunkt: 8,74%, Ausgangswert vs. Zwischenwert: p < 0,05, Zwischenwert vs. Endwert: p < 0,05). Eine ähnliche Reaktion wurde bei Oscillospira beobachtet (Ausgangswert: 4,96 %, Zwischenwert: 2,51 %, Endwert: 6,13 %, Ausgangswert vs. Zwischenwert: p < 0,05, Zwischenwert vs. Endwert: p < 0,05). Demgegenüber steht ein vorübergehender Rückgang der OTUs, die Ruminococcus zugeordnet werden (Ausgangswert: 2,17 %, Zwischenwert: 0,97%, Endpunkt: 2,10%, Ausgangswert vs. Zwischenwert: p < 0,05, Zwischenwert vs. Endwert: p < 0,05) und Adlercreutzia (Ausgangswert: 0,49%, Zwischenwert: 0,24%, endgültig: 0,34%, Ausgangswert vs. Zwischenwert: p < 0,05) (Abb. 3 und Tabelle S8). Darüber hinaus zeigte Coprococcus spp. eine anhaltende Anreicherung während der Fütterung, mit einem signifikanten Anstieg zwischen dem Ausgangswert und dem letzten Zeitpunkt (Ausgangswert: 0,47 %, Zwischenwert: 0,71%, Endpunkt: 0,91 %, Ausgangswert vs. Endwert: p < 0,05) (Abb. 3 und Tabelle S8). Dies stimmt mit dem gleichen Trend überein, der in der Maltodextrin-Kontrollgruppe beobachtet wurde. Allerdings bleiben die Coprococcus-Populationen in den mit Pektin und ε-Polylysin-Pektin-Komplexen gefütterten Mäusen relativ statisch.

Pektin war vorübergehend mit der Gattung Akkermansia angereichert (Ausgangswert: 0,59 %, Zwischenwert: 5,46%, final: 1,01%, Ausgangswert vs. Zwischenwert: p < 0,05, Zwischenwert vs. Endwert: p < 0,05), was zu der beobachteten zwischenzeitlichen Zunahme von Verrucomicrobia beitrug. Im Gegensatz dazu waren die Adlercreutzia-Populationen bei der Zwischenbeprobung geringer und blieben bei der Endbeobachtung niedrig (Adlercreutzia Ausgangswert: 0,48 %, Zwischenwert: 0,23%, Endpunkt: 0,26%, Ausgangswert vs. Zwischenwert: p < 0,05). Die Repräsentation der Kandidatengattung rc4-4 OTU verringerte sich proportional, zeigte jedoch eine unvollständige Rückkehr zum Ausgangszustand (rc4-4 Ausgangswert: 1,94%, Zwischenwert: 1,04%, endgültig: 1,62 %, Ausgangswert vs. Zwischenwert: p < 0,05) (Abb. 3 und Tabelle S9). Interessanterweise zeigte Ruminococcus spp. während der gesamten Fütterungsstudie eine abnehmende Tendenz mit signifikanten Unterschieden zwischen dem Ausgangswert und dem letzten Zeitpunkt (Ausgangswert: 2,32 %, Zwischenwert: 1,63%, Endpunkt: 1,14%: Ausgangswert vs. Endwert: p < 0,05) (Abb. 3 und Tabelle S9).

Obwohl sich die meisten Gattungen in Reaktion auf ε-Polylysin-Pektin-Komplexe nicht veränderten, stieg Ocscillospira vorübergehend an, bevor es unter die Ausgangswerte fiel (Ausgangswert: 3,56%, Zwischenwert: 4,70 %, Endwert: 2,44 %, Zwischenwert vs. Endwert: p < 0,05). Im Gegensatz dazu wurden die Parabacteroides-Populationen im Allgemeinen durch jede der diätetischen Behandlungen gehemmt (Ausgangswert: 3,44 %, Zwischenwert: 0,79%, endgültig: 0,55%, Ausgangswert vs. Zwischenwert: p < 0,05, Ausgangswert vs. Endwert: p < 0,05). Dies ist ähnlich wie bei rc4-4 (Ausgangswert: 2,82%, Zwischenwert: 0,77%, endgültig: 0,48%, Ausgangswert vs. Zwischenwert: p < 0,05, Ausgangswert vs. Endwert: p < 0,05). Insgesamt reagieren die Gattungen der Darmmikrobiota auf der Ebene der Gattungen auf Lebensmittelzusatzstoffe, insbesondere auf ε-Polylysin (Abb. 3 und Tabelle S10).

Neben der Beeinflussung spezifischer Taxa durch Nahrungsbiopolymere wies auch die strukturelle Zusammensetzung der Gemeinschaft erkennbare und nicht zufällige Veränderungen auf. ANOSIM46 mit 999 Permutationen wurde verwendet, um signifikante Unterschiede zwischen Probengruppen auf der Grundlage von gewichtetem UniFrac zu testen.41 Wie erwartet, veränderte Maltodextrin die mikrobielle Gemeinschaft im Darm von Mäusen, die mit dieser Kontrolle gefüttert wurden, weder bei weiblichen noch bei männlichen Mäusen signifikant (Abb. 4a, ANOSIM mit 999 Permutationen, p > 0,05). Dementsprechend bewirkten Pektin (Abb. 4c, ANOSIM mit 999 Permutationen, p > 0,05) und ε-Polylysin-Pektin-Komplexe (Abb. 4d, ANOSIM mit 999 Permutationen, p > 0,05) keine signifikanten Verschiebungen innerhalb der Gemeinschaft. Dies steht in bemerkenswertem Gegensatz zu den Darmmikrobiomen, die sich durch ε-Polylysin allein vorübergehend veränderten. Wie bei spezifischen taxonomischen Gruppen auf Phylum- und Gattungsebene beobachtet wurde, war die Struktur der Gemeinschaft zum Zeitpunkt der 5-wöchigen Probenahme gestört, um sich anschließend zum Zeitpunkt der letzten Probenahme wieder aufzulösen. Dies deutet darauf hin, dass die Zusammensetzung der Population durch die Anpassung an das kontinuierlich gefütterte Biopolymer auf ihren Ausgangszustand korrigiert wurde (Abb. 4b, ANOSIM mit 999 Permutationen, p < 0,05). Dies wurde bei den mit dem ε-Polylysin-Pektin-Komplex behandelten Mäusen nicht beobachtet, was auf eine abschirmende Interaktion mit der mikrobiellen Gemeinschaft hinweist.

ε-Polylysin verschiebt vorübergehend die vorhergesagte Funktion des Metagenoms

Das dem Darmmikrobiom innewohnende metagenomische Potenzial wurde durch die phylogenetische Untersuchung von Gemeinschaften durch Rekonstruktion unbeobachteter Zustände (PICRUSt) auf der Grundlage phylogenetischer 16S rNA-Daten abgeleitet. Insgesamt wurden 6.854.103.780 Beobachtungen in 6909 Orthologiegruppen (KO) der Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) innerhalb der 48 Darmgemeinschaften, die durch PICRUSt profiliert wurden, vorhergesagt. Die daraus resultierenden Daten wurden in 254 funktionelle Pfade kategorisiert, die alle 48 Gemeinschaften umfassen.

Insgesamt gab es 44 Pfade, von denen vorhergesagt wurde, dass sie sich während des Konsums von ε-Polylysin bei Mäusen signifikant verändern (ANOVA mit Bonferroni-Korrektur, p < 0,05) (Abb. 5). Wie bei den Veränderungen der taxonomischen Struktur zeigten die Zwischenproben, die nach 5 Wochen entnommen wurden, ein signifikant unterschiedliches Profil im Vergleich zum Ausgangswert und den letzten Probenahmepunkten. Von diesen 44 Pfaden oder Netzwerken sind 42 Pfade in den bakteriellen Stoffwechsel involviert oder werden anderweitig als Vermittler von Wirt-Mikroben-Interaktionen vorhergesagt, wobei 18 Pfade mit einer relativen Häufigkeit von 0,5 % vorhanden sind, basierend auf dem Durchschnitt der drei Probenahmepunkte (Abb. 5). Für acht dieser Pfade wurde vorhergesagt, dass sie nach 5 Wochen abnehmen und bei der letzten Probenahme auf das Grundniveau zurückkehren würden. Umgekehrt zeigten 10 vorhergesagte Pfade den gegenteiligen Trend und nahmen vorübergehend an Häufigkeit zu. Dementsprechend wurden Gene und ihre Wege, die mit dem allgemeinen Stofftransport (Ausgangswert: 7,53 %, Zwischenwert: 5,88 %, Endwert: 7,68 %, p < 0,05) und ABC-Transportern (Ausgangswert: 3,35 %, Zwischenwert: 2,76 %, Endwert: 3,44 %, p < 0,05) zusammenhängen, im Zwischenzustand der Gemeinschaft unterdrückt und erreichten schließlich wieder den Ausgangswert. Dies deutet darauf hin, dass der Stoffwechselbedarf und/oder die Umgebungskonzentrationen wünschenswerter gelöster Stoffe vor der Wiederherstellung der Mikrobiomstruktur kurzzeitig vermindert sein können. Darüber hinaus gehen die vorhergesagten zentralen Stoffwechselprozesse im Kohlenhydrat- und Proteinstoffwechsel in einen reversiblen Zustand über, während der Wirt die mit ε-Polylysin angereicherte Nahrung zu sich nimmt. Dies spiegelt sich in den glykolytischen/fermentativen Stoffwechselwegen (Ausgangswert: 1,05%, Zwischenwert: 1,13%, Endwert: 1,08%, p < 0,05), dem Pyruvatstoffwechsel (Ausgangswert: 1,01%, Zwischenwert: 1,07%, Endwert: 1,02%, p < 0.05), Fructose- und Mannose-Stoffwechsel (Ausgangswert: 0,085%, Zwischenwert: 0,099%, Endwert: 0,089%, p < 0,05) und Gene, die mit oxidativer Phosphorylierung in Verbindung stehen (Ausgangswert: 1,12%, Zwischenwert: 1,23%, Endwert: 1,08%, p < 0,05). Letztere KO sind wahrscheinlich an der anaeroben Atmung beteiligt und im Zwischenzeitpunkt vorübergehend angereichert. Zusätzlich zum Kohlenhydratkatabolismus wurden die mit dem Stickstofffluss verbundenen Stoffwechselwege nach 5 Wochen verschoben, einschließlich des Aminozucker- und Nukleotidzucker-Stoffwechsels (Ausgangswert: 1,47%, Zwischenwert: 1,60%, Endwert: 1,50%, p < 0,05) und des Histidin-Stoffwechsels (Ausgangswert: 0,062%, Zwischenwert: 0,067%, Endwert: 0,061%, p < 0,05). Ursprünglich hatten wir die Hypothese aufgestellt, dass die Kennzeichen des Lysin-Katabolismus in den vorhergesagten Metagenomen von Mäusen, die mit ε-Polylysin gefüttert wurden, entweder in der PL- oder PL-P-Diät angereichert sein würden. Dieses Signal wurde jedoch in der PICRUSt-Analyse nicht beobachtet, was darauf hindeutet, dass ε-Polylysin keine Bakterienpopulationen auswählt, die das Lysinabbaupotenzial erhöhen.

Während die vorhergesagten Metagenome auf die Ernährung mit ε-Polylysin reagierten, wurden bei den anderen drei Fütterungsgruppen keine signifikanten Unterschiede festgestellt. Dies gilt auch für Mäuse, die mit Pektin komplexiertes ε-Polylysin erhielten, was eine weitere Unterstützung für die elektrostatische Abschirmung zur Abschwächung des antimikrobiellen Einflusses von ε-Polylysin darstellt. Pektin allein verändert weder die Struktur der Gemeinschaft noch die vorhergesagte Funktion.

Das Geschlecht des Wirtes beeinflusst das basale Mikrobiom, aber nicht den Reaktionsverlauf

Männliche und weibliche Mäuse wurden beobachtet, um festzustellen, ob die Biopolymeraktivität im Mikrobiom geschlechtsabhängig ist. Demnach kolonisierten mehrere Bakterientaxa männliche und weibliche Tiere asymmetrisch und nicht zufällig. Dazu gehört das Phylum Verrucomicrobia, das in weiblichen Mäusen in insgesamt höheren Konzentrationen gefunden wurde als in männlichen (weiblich: 4,96 % von 24 Proben, männlich: 2,63 % von 24 Proben, p < 0,05, mehrseitige ANOVA) (Tabelle S11). Ein Großteil davon kann auf Unterschiede in den Akkermansia-Populationen zurückgeführt werden (weiblich: 4,50 %, männlich: 2,63 %, p < 0,05). Darüber hinaus beherbergten weibliche Mäuse signifikant größere Populationen der Bakteriengattungen Parabacteroides (weiblich: 2,47%, männlich: 0,5%, p < 0,05) und Bilophila (weiblich: 2,13%, männlich: 0,01%, p < 0,05). Im Gegensatz dazu wurden männliche Mäuse von größeren Konzentrationen von Odoribacter (weiblich: 0%, männlich: 0,92%, p < 0,05), Turicibacter (weiblich: 0,02%, männlich: 0,21%, p < 0,05), Clostridium (weiblich: 0,01%, männlich: 0,10%, p < 0,05) und der Kandidatengattung rc4-4 (weiblich: 0.16%, männlich: 2,46%, p < 0,05) (Tabelle S12).

Zusätzlich zu den taxonomischen Unterschieden gibt es strukturelle Unterschiede in der Gemeinschaft, die dem Geschlecht der Tiere zuzuschreiben sind und die in der UniFrac-Distanz durch die Hauptkoordinatenanalyse (PCoA) in Abb. 6a sichtbar werden. Dementsprechend ist die Darmmikrobiota von weiblichen und männlichen Mäusen nach Geschlecht geclustert und ähnelt sich innerhalb ihres jeweiligen Geschlechts mehr als untereinander (Abb. 6a, ANOSIM mit 999 Permutationen, p < 0,05). Darüber hinaus zeigte die hierarchische Clusterung von Mikrobiomen und Bakteriengattungen auf der Grundlage ihrer relativen Häufigkeit ein ähnliches Muster: Bakteriengemeinschaften innerhalb desselben Geschlechts neigen dazu, sich zu gruppieren (Abb. S2 und S3). Die durchschnittliche phylogenetische Vielfalt innerhalb der Gruppe ist bei weiblichen Mäusen geringer als bei männlichen (Abb. 6b, t-Test, p < 0,05), während bei der Gesamtzahl der beobachteten OTUs und dem Chao-1-Index keine Unterschiede zwischen weiblichen und männlichen Mäusen festgestellt wurden (Abb. S4).

Im Gegensatz zu den strukturellen Unterschieden zwischen Mikrobiomen, die von weiblichen und männlichen Mäusen beherbergt werden, unterschieden sich nur drei vorhergesagte metagenomische Pfade signifikant. Dazu gehören transkriptionsbezogene Vorgänge (weiblich: 0,0092%, männlich: 0,0051%, p < 0,05), Aminoglykosid-Antibiotika-Biosynthese (weiblich: 0,087%, männlich: 0,080%, p < 0,05) und Glycerophospholipid-Stoffwechsel (weiblich: 0,55%, männlich: 0,52%, p < 0,05). Es ist unklar, ob diese den ausdrücklichen Stoffwechselunterschieden zwischen den beiden Wirtsgeschlechtern zugrunde liegen. Die Erhaltung der Funktion trotz taxonomischer Unterschiede steht im Einklang mit der Redundanz des genetischen Potenzials, die zuvor in anderen mikrobiellen Gemeinschaften beobachtet wurde.46, 47

Trotz geschlechtsabhängiger Merkmale bleibt die spezifische Wirkung von Biopolymerbehandlungen unabhängig vom Geschlecht, wie die PCoA-Analyse zeigt (Abb. 3). Insbesondere verändert ε-Polylysin das murine Mikrobiom zum Zeitpunkt der Zwischenprobenentnahme vorübergehend und unabhängig vom Geschlecht. Pektin oder mit ε-Polylysin komplexiertes Pektin hingegen verändert die Mikrobiota von weiblichen und männlichen Mäusen nicht. Ein ähnlicher Reaktionspfad zeigt sich in den Flüssen auf Phylum-Ebene, da die Vertretung von Bacteriodes und Firmictues als Reaktion auf ε-Polylysin bei beiden Geschlechtern vorübergehend verschoben ist (Abb. S5). Darüber hinaus wiesen die Darmmikrobiome beider Geschlechter die gleiche Veränderung bei Verrucomicrobia auf, wenn sie mit Pektin gefüttert wurden (Abb. S5). Darüber hinaus erhöhte die ε-Polylysin-Pektin-Komplex-Diät im Vergleich zu der mit Maltodextrin gefütterten Gruppe die Bacteriodetes und verringerte die Firmicutes unabhängig vom Geschlecht. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass geschlechtsabhängige Merkmale (z. B. Hormone) weder synergistisch noch antagonistisch mit Nahrungsbiopolymeren zusammenwirken, um die Struktur der Gemeinschaft insgesamt und innerhalb der wichtigsten Phyla zu verändern.

Interessanterweise können Nahrungsbiopolymere die Gattungsrepräsentation verändern, die in gewissem Maße vom Geschlecht abhängig ist. Die relative Häufigkeit von Parabacteroides (Geschlecht*Behandlung p < 0,05, mehrstufige ANOVA), Clostridium (Geschlecht*Behandlung p < 0,05, mehrstufige ANOVA), Coprococcus (Geschlecht*Behandlung, p < 0,05, mehrstufige ANOVA) und Bilophila (Geschlecht*Behandlung p < 0,05, mehrstufige ANOVA) zeigte eine mäßige Abhängigkeit vom Geschlecht des Wirts (Abb. S6). Bei weiblichen Mäusen war der Coprococcus-Gehalt in der Pektin-Gruppe höher als in den anderen drei Gruppen (MD: 0,69 %, PL: 0,63 %, P: 0,98 %, PL+P: 0,65 %, MD vs. P: p < 0,05, PL vs. P: p < 0,05, P vs. PL+P: p < 0,05). Bei männlichen Mäusen waren jedoch die Coprococcus-OTUs in der Pektingruppe im Vergleich zu den anderen drei Gruppen im Mikrobiom verringert (MD: 0,94 %, PL: 0,77 %, P: 0,45 %, PL+P: 0,78 %, MD vs. P: p < 0,05, PL vs. P: p < 0,05, P vs. PL+P: p < 0,05). Auch Bilophila war bei weiblichen Mäusen, die mit ε-Polylysin gefüttert wurden, im Vergleich zu ε-Polylysin-Pektin-Komplexen reduziert (MD: 0,51 %, PL+P: 1,63 %, p < 0,05), während das Mikrobiom männlicher Mäuse diesen geschlechtsspezifischen Populationsfluss nicht aufwies. Darüber hinaus beeinflussten die Wechselwirkungen von Geschlecht, Probenahmestellen und Biopolymer die beobachtete relative Häufigkeit der Gattung Turicibacter (p < 0,05), Clostridium (p < 0,05), Coprococcus (p < 0,05) und der Kandidatengattung rc4-4 (p < 0,05).