Unravelling fundamental mechanisms of bacterial exopolysaccharide catabolism for use in food and health applications

Bakterier produserer mange kjemiske forbindelser, inkludert karbohydrater som spiller viktige biologiske roller. Ekstracellulære polysakkarider (EPS) gjør bakterier glatte og slimete, og er avgjørende både for bakteriene selv og for mennesker. Patogener bruker EPS i biofilmer for å unngå immunforsvar og antibiotika, mens EPS i matproduksjon forbedrer tekstur og stabilitet. I tarmen fungerer de som signalmolekyler og næringsstoffer, og bidrar til å forme mikrobielle samfunn. Dette prosjektet undersøker EPS, hvordan bakterier bryter dem ned, og hvordan de kan anvendes innen mat og helse. Vi produserer rene EPS av kjente og nye typer i vår bioraffineri, tester hvilke bakterier som kan utnytte dem, og studerer de enzymatiske systemene som er involvert. Disse enzymene, sammen med kjemiske metoder, brukes til å designe nye EPS med funksjoner som å modulere tarmflora, endre mattekstur og fungere som antimikrobielle midler. Så langt har vi skalert opp produksjonen av flere melkesyrebakterier som produserer nye EPS, fra milliliter til 100-liters fermenteringer. Dette har krevd utvikling av prosesser for nedstrøms bearbeiding og analytiske metoder (f.eks. SEC, monosakkaridanalyse, NMR). Et helt nytt EPS fra Lactoplantibacillus pentosus er blitt identifisert, med potensial som prebiotikum eller antibiotikum. Vi har også oppdaget en skånsom metode for isolering av celleveggpolysakkarider fra Gram-positive bakterier, der ustabile funksjoner bevares. En DOFI er innlevert, med kommersielt potensial. Et annet viktig funn er at mange studier uvitende bruker urene medier, noe som fører til at EPS forurenses med a-mannan fra gjærekstrakt. Vi forbereder et manuskript om dette for å forbedre eksperimentelle standarder. Når det gjelder nedbrytning av EPS, fokuserer vi på gellan-gummi og vårt nye L. pentosus-EPS. Ved bruk av genomikk og proteomikk har vi identifisert mange enzymer som nå karakteriseres. Disse brukes til å generere oligosakkarider for konjugering til fluorescerende eller antimikrobielle derivater. Flere fluorescerende gellan-gummi-oligosakkarider er allerede syntetisert, og vi har gjort store fremskritt på reporter- og antimikrobiell-konjugerte varianter, som vil bli rapportert i et manuskript med høy gjennomslagskraft. Prosjektet leverer også på utdanning: én PhD-student vil forsvare sin avhandling i desember 2025 med tre innsendte manuskripter om EPS og celleveggpolysakkarider. Fire masterstudenter har bidratt gjennom tverrfaglig opplæring. Vår brede tilnærming, som spenner fra mikrobiologi til organisk kjemi, gir oss en konkurransefordel og har ført til samarbeid i Frankrike og Skottland. Med flere manuskripter innsendt, kommersielle muligheter på vei, og den første PhD-graden snart fullført, er prosjektet nå inne i sin mest produktive fase

Bacterial exopolysaccharides (EPS) represent a highly diverse group of biopolymers that are secreted by bacteria. Whereas hundreds of EPS structures have been characterized, few studies exist that have investigated EPS degradation and the enzymes involved. Due to the enormous diversity of EPS molecules, we thus hypothesize that there is a large gap in knowledge of EPS degrading and modifying enzymes. In the present project we will tap into this large reservoir of unexplored enzymes to increase our general understanding of EPS utilization in biological systems and, through an interdisciplinary effort, harness the acquired knowledge to generate novel biotechnological tools and applications. By utilizing an on-site biorefinery, multi-gram amounts of pure EPS from several bacteria will be produced and subsequently used as nutrient sources in bacterial cultivation screens. Here, an expected important outcome is knowledge on how EPS can alter the composition of the gut microbiota. By analysis of EPS degrading isolates or enrichment cultures by a combination of genomics and proteomics, enzymes involved in EPS degradation will be identified and subsequently cloned, expressed and characterized to reveal complete degradation pathways. These pathways are likely to contain multiple new enzyme families and activities. The characterized enzymes represent an EPS toolbox that will allow tailoring of EPS-oligosaccharides, that, by means of chemical synthesis, will be used to generate fluorescent glycoconjugates (e.g. fluorescent glyco-carbon dots) that in turn can be used to identify EPS-binding or degrading bacteria in complex microbial communities. Using the same chemical approach, novel antimicrobial compounds will be synthesized to specifically target EPS degrading pathogens identified earlier in the project timeline. Finally, EPSs and EPS-oligosaccharides will be screened for their immunomodulatory properties to unravel potential EPS-host interactions.