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Evaluating the effect of candidate prebiotics in the human gut microbiota by activity-based cell sorting and targeted isolation
Hamid Rasoulimehrabani
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium Naturwissenschaften (Lebenswissenschaften): Biologie
Betreuer*in
David Berry
DOI
10.25365/thesis.79667
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30780.89960.197889-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die menschliche Darmmikrobiota spielt eine zentrale Rolle für die Gesundheit des Wirts, und ihre Zusammensetzung und Aktivität können gezielt durch Präbiotika beeinflusst werden. Präbiotika, definiert als Substrate, die selektiv von Mikroorganismen des Wirts genutzt werden, bieten eine Möglichkeit, Darmgemeinschaften vorteilhaft zu modulieren. Diese Dissertation untersucht die Effekte von drei Kandidatenpräbiotika – Xylooligosacchariden (XOS), Lactulose und Arabinogalactan – auf die menschliche Darmmikrobiota und analysiert, wie sie mikrobielle Gemeinschaften sowohl auf Gemeinschaftsebene als auch auf Einzelzellebene mittels aktivitätsbasierter Methoden beeinflussen. Ex vivo Fäzesinkubationen kombiniert mit 16S rRNA-Gen-Sequenzierung zeigten spenderspezifische Unterschiede, jedoch eine konsistente Anreicherung nützlicher Taxa nach Präbiotika-Supplementierung. In allen Projekten trat Bifidobacterium wiederholt als dominanter Responder auf, was seine zentrale Rolle im Präbiotikastoffwechsel unterstreicht. In der XOS-Studie wurde Collinsella aerofaciens als weiterer aktiver Abbauer identifiziert, bestätigt durch Raman-aktivierte Zellsortierung (RACS) und Isolierung. Das Lactulose-Projekt kombinierte BONCAT-FACS, RACS und RNA-Sequenzierung und zeigte, dass Collinsella und Lactococcus lactis stimuliert wurden, wobei L. lactis von Cross-Feeding-Interaktionen mit primären Abbauern profitierte. Genexpressionsanalysen wiesen zudem auf eine Beteiligung der β-Galactosidase-Aktivität am Lactulose-Metabolismus hin. In der Arabinogalactan-Studie identifizierten RACS und Kokultur-Experimente Bifidobacterium longum als Schlüsseldegrader, der das Wachstum sekundärer Taxa wie Eggerthella lenta, Collinsella aerofaciens, Phocaeicola coprocola und Ruminococcus bicirculans ermöglichte und die Bedeutung metabolischer Kooperation hervorhob. Zusammen zeigen diese Ergebnisse, dass unterschiedliche Präbiotika definierte mikrobielle Responder selektiv stimulieren und kooperative Interaktionen innerhalb der Darmmikrobiota fördern. Diese Arbeit liefert mechanistische Einblicke in die Wirkung von Präbiotika und schafft eine Grundlage für mikrobiomorientierte Ernährungsstrategien sowie die Entwicklung von Synbiotika der nächsten Generation.
Abstract
(Englisch)
The human gut microbiota plays a central role in host health, and its composition and activity can be selectively shaped by prebiotics. Prebiotics, defined as substrates selectively utilized by host microorganisms, offer a strategy to beneficially modulate gut communities. This thesis investigates the effects of three candidate prebiotics, xylooligosaccharides (XOS), lactulose, and arabinogalactan, on the human gut microbiota and examines how they influence microbial communities at both the community level and the single-cell level using activity-based methods. Ex vivo fecal incubations combined with 16S rRNA gene sequencing revealed donor-specific variation but consistent enrichment of beneficial taxa after prebiotic supplementation. Across all projects, Bifidobacterium consistently emerged as a dominant responder, underscoring its central role in prebiotic metabolism. In the XOS study, Collinsella aerofaciens was identified as an additional active degrader, confirmed by Raman activated cell sorting (RACS) and isolation. The lactulose project integrated BONCAT FACS, RACS, and RNA sequencing to show that Collinsella and Lactococcus lactis were stimulated, with L. lactis benefiting from cross-feeding interactions with primary degraders. Gene expression analysis further implicated β-galactosidase activity in lactulose metabolism. In the arabinogalactan study, RACS and coculture experiments revealed Bifidobacterium longum as a keystone degrader that enabled the growth of secondary taxa such as Eggerthella lenta, Collinsella aerofaciens, Phocaeicola coprocola, and Ruminococcus bicirculans, highlighting the importance of metabolic cooperation. Together, these findings demonstrate that distinct prebiotics selectively stimulate defined microbial responders and promote cooperative interactions within the gut microbiota. This work provides mechanistic insight into prebiotic action and offers a foundation for microbiome-targeted dietary strategies and the development of next generation synbiotic formulations.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Darmmikrobiota Präbiotika Xylooligosaccharide Lactulose Arabinogalactan Bifidobacterium Lactococcus lactis BONCAT-FACS Raman-aktivierte Zellsortierung RACS RNA-Sequenzierung β-Galactosidase Mikrobielle Interaktionen Raman-Spektroskopie
Schlagwörter
(Englisch)
Gut microbiota Prebiotics Xylooligosaccharides Lactulose Arabinogalactan Bifidobacterium Lactococcus lactis Raman spectroscopy Raman-activated cell sorting BONCAT-FACS RNA sequencing Cocultures Cross-feeding β-galactosidase Microbial interactions
Autor*innen
Hamid Rasoulimehrabani 
Haupttitel (Englisch)
Evaluating the effect of candidate prebiotics in the human gut microbiota by activity-based cell sorting and targeted isolation
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
192 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Sahar El Aidy ,
Evelyne Selberherr
Klassifikation
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie
AC Nummer
AC17717133
Utheses ID
78001
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |