Bio-transformation of selenium in Se-enriched bacterial strains of Lactobacillus casei

• Autorzy: Kurek E. , Ruszczynska A. , Wojciechowski M. , Luciuk A. , Michalska-Kacymirow M. , Motyl I. , Bulska E.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Background. Selenium is an element of very great importance for the proper functioning of the human body, mainly due to its antioxidant properties. Selenium exhibits a preventive effect in the case of cardiovascular disease, the immune system, male infertility and inhibits the toxic action of other agents. Selenium is important for Hashimoto’s disease. Intake of selenium in the diet slows the aging process. The biological and toxicological effects of selenium strongly depend on its chemical form. Some organisms for example: plant, yeast, are capable of metabolizing low bioavailable selenium compounds (inorganic selenium) into its high bioavailable forms (organic selenium). Objective. The aim of this study was to investigate the bio-transformation of selenium by Lactobacillus bacteria towards the characterisation of selenium metabolites. Material and Methods. The speciation of selenium was evaluated by high performance liquid chromatography with inductively coupled plasma mass spectrometry detector. The extraction of selenium species from lyophilized bacteria was executed with water, the mixture of lipase and protease, as well as lisozyme and sodium dodecyl sulphate. Results. All investigated bacteria strains cultivated in the presence of Na2SeO3 effectively uptake selenium. Surprisingly, none of the applied extraction media exhibited a strong power to release the majority of the uptaken selenium compounds. Thus a maximum of 10% of the selenium was extracted from bacteria exposed to the enzymes. However, it was found that Lactobacillus bacteria are able to metabolize inorganic ions of selenium (IV) into Se-methionine, Se-methyloselenocysteine and other unidentified forms. Conclusions. The study confirmed the ability of probiotic bacteria to biotransform inorganic selenium into its organic derivatives. Therefore, Se-enriched bacteria can be considered as an addition to the functional food.

PL

Wprowadzenie. Selen jest pierwiastkiem o bardzo dużym znaczeniu dla prawidłowego funkcjonowania organizmu człowieka, głównie ze względu na swoje właściwości antyoksydacyjne. Selen odgrywa ważną rolę w profilaktyce chorób układu sercowo-naczyniowego, układu immunologicznego, niepłodności, a także chroni przed szkodliwym działaniem substancji toksycznych. Selen jest istotny dla przebiegu choroby Hashimoto. Jego obecność w diecie wpływa na spowalnianie procesów starzenia się. Biologiczne i toksykologiczne efekty działania selenu w znacznym stopniu zależą od jego postaci chemicznej. Niektóre organizmy, na przykład rośliny i drożdże, mają zdolność metabolizowania słabo przyswajalnych form selenu (nieorganiczny selen) do jego łatwo przyswajalnych związków (selen organiczny). Cel. Celem niniejszych badań było poznanie procesów biotransformacji selenu przez bakterie Lactobacillus pod kątem identyfikacji form chemicznych selenu. Materiały i metody. Badania specjacji selenu przeprowadzono z wykorzystaniem metody wysokosprawnej chromatografii cieczowej połączonej ze spektrometrią mas z plazmą indukcyjnie sprzężoną. Do ekstrakcji form chemicznych selenu z liofilizowanych bakterii użyto wody, mieszaniny lipazy i proteazy, a także lizozymu oraz SDS-u. Wyniki. Wszystkie badane szczepy bakterii, hodowane w obecności Na2SeO3, efektywnie pobierały selen. Żaden z zastosowanych ekstrahentów nie uwolnił jednak całego związanego w bakteriach selenu. Maksymalnie udało się wyekstrahować 10% pobranego przez bakterie selenu, przy zastosowaniu enzymów. Niemniej jednak, okazało się, że bakterie z rodzaju Lactobacillus są zdolne do metabolizowania nieorganicznych jonów selenu (IV) do Se-metioniny, Se-metyloselenocysteiny oraz niezidentyfikowanych form selenu. Wnioski. Badania potwierdziły zdolność bakterii probiotycznych do biotransformacji nieorganicznych form selenu do jego organicznych metabolitów. W związku z tym, wzbogacone w selen bakterie mogą być używane, jako dodatek do żywności funkcjonalnej.

Słowa kluczowe

EN

biotransformation; selenium; bacterial strain; Lactobacillus casei; lactic acid bacteria; functional food

• Wydawca: -
• Czasopismo: Roczniki Państwowego Zakładu Higieny
• Rocznik: 2016
• Tom: 67
• Numer: 3
• Opis fizyczny: p.253-262,fig.,ref.

Twórcy

autor

Kurek E.

• Biological and Chemical Research Centre, University of Warsaw, Zwirki i Wigury 101, 02-089 Warsaw, Poland

autor

Ruszczynska A.

• Biological and Chemical Research Centre, University of Warsaw, Zwirki i Wigury 101, 02-089 Warsaw, Poland
• Faculty of Chemistry, University of Warsaw, Pasteura 1 street, 02-093 Warsaw, Poland

autor

Wojciechowski M.

• Biological and Chemical Research Centre, University of Warsaw, Zwirki i Wigury 101, 02-089 Warsaw, Poland
• Faculty of Chemistry, University of Warsaw, Pasteura 1 street, 02-093 Warsaw, Poland

autor

Luciuk A.

• Biological and Chemical Research Centre, University of Warsaw, Zwirki i Wigury 101, 02-089 Warsaw, Poland

autor

Michalska-Kacymirow M.

• Biological and Chemical Research Centre, University of Warsaw, Zwirki i Wigury 101, 02-089 Warsaw, Poland

autor

Motyl I.

• Faculty of Biotechnology and Food Sciences, Lodz University of Technology, Wolczanska 171/173 street, 90-924 Lodz, Poland

autor

Bulska E.

• Biological and Chemical Research Centre, University of Warsaw, Zwirki i Wigury 101, 02-089 Warsaw, Poland
• Faculty of Chemistry, University of Warsaw, Pasteura 1 street, 02-093 Warsaw, Poland

Bibliografia

• 1. Alzate A., Cañas B., Pérez-Munguía S., Hernández-Mendoza H., Pérez-Conde C., Gutiérrez M., Cámara C.: Evaluation of the Inorganic Selenium Biotransformation in Selenium-Enriched Yogurt by HPLC-ICP-MS. J. Agric. Food Chem. 2007;55:9776–9783.
• 2. Alzate A., Fernández-Fernández A., Pérez-Conde M.C., Gutiérrez A.M., Cámara C.: Comparison of Biotransformation of Inorganic Selenium by Lactobacillus and Saccharomyces in Lactic Fermentation Process of Yogurt and Kefir. J. Agric. Food Chem. 2008;56:8728–8736.
• 3. Alzate A., Pérez-Conde M.C., Gutiérrez A.M., Cámara C.: Selenium-enriched fermented milk: A suitable dairy product to improve selenium intake in humans. Int. Dairy J. 2010;20:761-769.
• 4. Bierla K., Dernovics M., Vacchina V., Szpunar J., Bertin G., Lobinski R.: Determination of selenocysteine and selenomethionine in edible animal tissues by 2D sizeexclusion reversed-phase HPLC-ICP MS following carbamidomethylation and proteolytic extraction. Anal. Bioanal. Chem. 2008;390:1789−1798.
• 5. Caballero Araúz I.L., Afton S., Wrobel K., Caruso J.A., Gutiérrez Corona J.F., Wrobel K.: Study on the protective role of selenium against cadmium toxicity in lactic acid bacteria: An advanced application of ICPMS. J. Hazard. Mater. 2008;153:1157–1164.
• 6. Calomme M., Hu J., Van den Brandend K., Vanden Berghe D.A.: Seleno -lactobacillus – an organic selenium source. Biological Trace Element Research 1995;47:379−383.
• 7. Chan Q., Afton S.E., Caruso J.A.: Selenium speciation profiles in selenite-enriched soybean (Glycine Max) by HPLC-ICPMS and ESI-ITMS. Metallomics 2010;2:147−153.
• 8. Chmielewski J., Tyflewska A.: Selenium in microorganisms. In: Wierzbicka M., Bulska E., Pyrzyńska K., Wysocka I., Zachara B.A. (eds.) Selenium. The element essential to health and fascinating for researchers. Warsaw, Malamut, 2007.
• 9. Combs G.J., Garbisu C., Yee B.C., Yee A., Carlson D.E., Smith N.R., Magyarosy A.C., Leighton T., Buchanan B.B.: Bioavailability of selenium accumulated by selenite-reducing bacteria. Biol. Trace Elem. Res. 1996;52:209−225.
• 10. Dernovics M., Stefánka Z., Fodor P.: Improving selenium extraction by sequential enzymatic processes for Se-speciation of selenium-enriched Agaricus bisporus. Anal. Bioanal. Chem. 2002;372:473−480.
• 11. Ghosh A., Mohod A.M., Paknikar K.M., Jai R.K.: Isolation and characterization of selenite- and selenatetolerant microorganisms from selenium contaminated sites. World J. Microb. Biot. 2008;24:1607−1611.
• 12. Hart D.J., Fairweather-Tait S.J., Broadley M.R., Dickinson S.J., Foot I., Knot P., McGrath S.P., Mowat H., Norman K., Scott P.R., Stroud J.L., Tucker M., White P.J., Zhao F.J., Hurst R: Selenium concentration and speciation in biofortified flour and bread: Retention of selenium during grain biofortification, processing and production of Se-enriched food. Food Chem. 2011;126:1771−1778.
• 13. Hatfield D.L., Berry M.J., Gladyshev V.N.: Selenium. Its Molecular Biology and Role in Human Health (3rd ed.). New York, Springer. 2012.
• 14. Kannamkumarath S.S., Wrobel K., Wrobel K., Vonderheide A., Caruso J.A.: HPLC-ICP-MS determination of selenium distribution and speciation in different types of nuts. Anal. Bioanal. Chem. 2002;373:454−460.
• 15. Kurek E., Ruszczynska A., Wojciechowski M., Czauderna M., Bulska E.: Study on speciation of selenium in animal tissues using high performance liquid chromatography with on-line detection by inductively coupled plasma mass spectrometry. Chemical Analysis (Warsaw) 2009;54:43−57.
• 16. Lamberti C., Mangiapane E., Pessione A., Mazzoli R., Giunta C., Pessione E.: Proteomic characterization of a selenium metabolizing probiotic Lactobacillus reuteri Lb2 BM for nutraceutical applications. Proteomics 2011;11:2212-2221.
• 17. Lipiec E., Siara G., Bierla K., Ouerdane L., Szpunar J.: Determination of selenomethionine, selenocysteine, and inorganic selenium in eggs by HPLC-inductively coupled plasma mass spectrometry. Anal. Bioanal. Chem. 2010;397:731−741.
• 18. Messner P., Sleytr U.: Crystalline bacterial cell-surface layers. Adv. Microb. Physiol. 1992;33:213–75.
• 19. Michalke B., Witte H., Schramel P.: Effect of different extraction procedures on the yield and pattern of Sespecies in bacterial samples. Anal. Bioanal. Chem. 2002;372:444−447.
• 20. Michalska-Kacymirow M., Kurek E., Smolis A., Wierzbicka M., Bulska E.: Biological and chemical investigation of Allium cepa L. response to selenium inorganic compounds. Anal. Bioanal. Chem. 2014; 15: 3717-3722.
• 21. Montes-Bayón M., LeDuc D.L., Terry N., Caruso J.A.: Selenium speciation in wild-type and genetically modified Se accumulating plants with HPLC separation and ICP-MS/ES-MS detection. J. Anal. At. Spectrom. 2002;8:872−879.
• 22. Nelsona D.C., Caseyb W.H., Sisona J.D., Macka E.E., Ahmada A., Pollacka J.S.: Selenium uptake by sulfuraccumulating bacteria. Geochim. Cosmochim. Acta 1996;60:3531−3539.
• 23. Peñas E., Martinez-Villaluenga C., Frias J., Sánchez-Martínez M.J., Pérez-Corona M.T., Madrid Y., Cámara C., Vidal-Valverde C.: Se improves indole glucosinolate hydrolysis products content, Se-methylselenocysteine content, antioxidant capacity and potential antiinflammatory properties of sauerkraut. Food Chem. 2012;132:907−914.
• 24. Pérez-Corona M.T., Sánchez-Martínez M., Valderrama M.J., Rodríguez M.E., Cámara C., Y. Madrid Y.: Selenium biotransformation by Saccharomyces cerevisiae and Saccharomyces bayanus during white wine manufacture: Laboratory-scale experiments. Food Chem. 2011;124:1050− 1055.
• 25. Pieniz S., Andreazza R., Anghinoni T., Camargo F., Brandelli A.: Probiotic potential, antimicrobial and antioxidant activities of Enteroccus durans strain LAB18s. Food Control 2014;37:251-256.
• 26. Pieniz S., Andreazza R., Pereira J. Q., Camargo F.A., Brandelli, A.: Production of Selenium-enriched biomass by Enteroccus durans. Biol. Trace Elem. Res. 2013;155:447-454.
• 27. Pophaly S.D., Poonam, Singh P., Kumar H., Tomar S.K., Singh R.: Selenium enrichment of lactic acid bacteria and bifidobacteria: A functional food perspective. Trends Food Sci. Technol. 2014;39:135-145
• 28. Pyrzynska K.: Selenium speciation in enriched vegetables. Food Chem. 2009;114:1183−1191.
• 29. Quijano M.A., Moreno P., Gutiérrez A.M., Pérez-Conde M.C., Cámara C.: Selenium speciation in animal tissues after enzymatic digestion by high-performance liquid chromatography coupled to inductively coupled plasma mass spectrometry. J. Mass Spectrom. 2000;35:878−84.
• 30. Wróbel K., Wróbel K., Kannamkumarath S.S., Caruso J.A., Wysocka I.A., Bulska E., Swiatek J., Wierzbicka M.: HPLC-ICP-MS speciation of selenium in enriched onion leaves - a potential dietary sources of Semethyloselenocysteine. Food Chem. 2004;86:617−623.
• 31. Xia S.K., Chen L., Liang J.Q.: Enriched Selenium and Its Effects on Growth and Biochemical Composition in Lactobacillus bulgaricus. J. Agric. Food Chem. 2007;55:2413−2417.
• 32. Zhang, B., Zhou, K., Zhang, J., Chen, Q., Liu, G., Shang, N., Qin, W., Li, P., Lin, F:. Accumulation and species distribution of selenium in Se-enriched bacterial cells of Bifidobacterium animalis 01. Food Chem. 2009; 115, 727−734.