Re: 박테리아가 생성하는 외부다당류의 생리학적 활성 - 항염, 항암, 항균 등 2023

[문형철]

World J Microbiol Biotechnol

. 2023 May 31;39(8):213. doi: 10.1007/s11274-023-03660-x

Recent advances in the biological activities of microbial exopolysaccharides

Fatemeh Salimi 1,✉, Parisa Farrokh 1

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PMCID: PMC10230149  PMID: 37256348

Abstract

Microbial exopolysaccharides (EPSs) are valuable extracellular macromolecules secreted as capsules or slime layers. Various microorganisms, including bacteria, yeasts, fungi, and algae have been studied for their ability to produce EPSs. Microbial EPSs exist as homopolysaccharides or heteropolysaccharides with various properties such as different monosaccharide compositions, structural conformation, molecular weight, and functional groups. They are cost-effective alternatives to plant and animal-derived polysaccharides because the microbial cells produced them in large quantities by biotechnological processes using low-cost substrates such as industrial wastes in a short time. Microbial EPSs are safe, biodegradable, and compatible polymers.

They have extensive bioactivities, including antibacterial, antifungal, antiviral, antioxidant, antitumor, antidiabetic, antiulcer, anticoagulant, antiaging, immunomodulatory, wound healing, and cholesterol-lowering activities. Microbial EPSs owing to biological activities, special biochemical structures, and attractive physicochemical properties find plenty of potential applications in various industries. The enhancement of the production of EPSs and improving their properties can be provided by genetic engineering methods. The current review aims to provide a comprehensive examination of the therapeutic activities of microbial EPSs in infectious diseases and metabolic disorders, with a focus on the mechanisms involved. Also, the effect of the physicochemical characteristics of EPSs on these bioactivities was discussed to reveal the structure-activity relationship.

초록

미생물 외부 다당류(EPS)는

캡슐 또는 점액층으로 분비되는 가치 있는 세포외 고분자 물질이다.

박테리아, 효모, 곰팡이, 조류 등 다양한 미생물이

EPS 생산 능력에 대해 연구되어 왔다.

미생물 EPS는

단당류 조성, 구조적 형태, 분자량, 기능성 그룹 등

다양한 특성을 지닌 동종다당류 또는 이종다당류 형태로 존재한다.

산업 폐기물과 같은 저비용 기질을 이용한 생물공학적 공정으로

미생물 세포가 단시간에 대량 생산하기 때문에

식물 및 동물 유래 다당류에 비해 비용 효율적인 대안이다.

미생물 EPS는

안전하고 생분해되며 호환성 있는 고분자이다.

항균,

항진균,

항바이러스,

항산화,

항종양,

항당뇨,

항궤양,

항응고,

항노화,

면역조절,

상처 치유,

콜레스테롤 저하 등

광범위한 생물학적 활성을 지닌다.

antibacterial, antifungal, antiviral,

antioxidant, antitumor, antidiabetic, antiulcer, anticoagulant, antiaging,

immunomodulatory, wound healing, and cholesterol-lowering activities

생물학적 활성, 특수한 생화학적 구조, 우수한 물리화학적 특성 덕분에

미생물 EPS는

다양한 산업 분야에서 잠재적 응용 가능성이 풍부하다.

유전자 공학 기법을 통해 EPS 생산량 증대와 특성 개선이 가능합니다.

본 리뷰는

감염성 질환 및 대사 장애에서 미생물 EPS의 치료 활성을 메커니즘 중심으로

종합적으로 검토하는 것을 목표로 합니다.

또한

이러한 생물학적 활성에 대한

EPS의 물리화학적 특성의 영향을 논의하여 구조-활성 관계를 규명하고자 합니다.

Keywords: Exopolysaccharides, Bacteria, Bioactivities, Physicochemical properties

Introduction

Microorganisms have considerable biosynthetic potentials to produce various bioactive substances with unique chemical scaffolds and functionalities. These compounds displayed pharmaceutical potential. For example, they suppress the growth of infectious bacteria and fungi, mitigate multiplication of cancerous cells, scavenge free radicals, reduce inflammation, and accelerate wound healing. These bioactive metabolites can be peptides, lipopeptides, polypeptides, lactones, fatty acids, polyketides, isocoumarins, terpenoids or exopolysaccharides (Ramezanzadeh et al. 2021; Salimi et al. 2022; Almasi et al. 2021; Salimi and Mohammadipanah 2021).

서론

미생물은

독특한 화학적 골격과 기능성을 지닌 다양한 생물활성 물질을 생산할 수 있는

상당한 생합성 잠재력을 지닌다.

이러한 화합물들은

약리학적 잠재력을 보여준다.

예를 들어,

감염성 세균 및 곰팡이의 성장을 억제하고,

암세포 증식을 완화하며,

자유 라디칼을 제거하고,

염증을 감소시키며,

상처 치유를 촉진한다.

이러한 생리활성 대사산물은

펩타이드, 지질펩타이드, 폴리펩타이드, 락톤,

지방산, 폴리케타이드, 이소쿠마린, 테르페노이드 또는

외부 다당류(Ramezanzadeh et al. 2021; Salimi et al. 2022; Almasi et al. 2021; Salimi and Mohammadipanah 2021).

lactones : 고리모양의 에스터 화합물

polyketides : acetyl CoA을 기본단위로 사용하여 합성. 

Isocoumarins : acetyl CoA 와 말로닐 CoA를 기본단위로 합성. 항염. 항암효과, 혈액응고 방지, 혈관확장. 

터르페노이드 : 대장균과 효모가 테르페노이드를 생산. 아래 그림 참조

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6194902/

peptides, lipopeptides, polypeptides, lactones,

fatty acids, polyketides, isocoumarins, terpenoids or

exopolysaccharides

Polysaccharides can be produced by various natural sources like plants, animals and microorganisms (Li et al. 2022). Exopolysaccharides (EPS) are extracellular carbohydrate polymers which are synthesized by different microbial cells, including bacteria, yeasts, fungi, and microalgae during their growth and metabolism. EPSs can be secreted from microbial cells or attached to their cells (Arayes et al. 2023).

EPSs are composed carbohydrates (main part) and some non-carbohydrate substituents like acetate, pyruvate, succinate, and phosphate. Various monosaccharides such as fructose, glucose, arabinose, mannose, rhamnose, and xylose can be present in EPS structure (Al-Nabulsi et al. 2022). EPSs provide microenvironments, which protect bacteria at extreme conditions, help bacterial colonization and pathogenicity, and facilitate genes and metabolites exchange within bacterial communities (Arayes et al. 2023). Microbial EPSs can be produced in a short time in high quantity under controlled conditions. Therefore, they can be cost-effective substituents to the plant and algal derived polysaccharides. Also, production cost can be reduced by using cheaper substrates, improving product yield through optimizing fermentation conditions and downstream processing, or developing higher yielding strains (Freitas et al. 2011).

According to the literature, microbial-derived EPSs have desirable biological functions and high-value applications as well as they have no toxic and side effects on body tissue cells. These biopolymers are biocompatible and biodegradable (Li et al. 2023). EPSs with favorable thermal stability and water retention ability have proper candidate for biomedical applications (Andrew and Jayaraman 2022). Due to the toxicity of chemical therapies or emerging resistance to current drugs(Al-Nabulsi et al. 2022), EPSs have the potential of replacing chemical drugs and are considered medically, pharmaceutically impotent carbohydrates (Ji et al. 2022; Zhou and Huang 2023). In addition to these, EPSs are being used for drug delivery, and scaffold synthesis in tissue engineering (Andrew and Jayaraman 2022). Also, the microbial EPSs have potential applications in food, feed, packaging, chemical, textile, agriculture, and cosmetic industries (Ates 2015; Tang and Huang 2022; Zhou and Huang 2023). Since great efforts have been made in recent years on characterization and studying the bioactivities of microbial EPSs, reviewing the recent articles helps better understanding between their properties and biomedical activities. In this review, we attempt to review research on bioactivities of microbial EPSs, including antibacterial, antifungal, antiviral, antioxidant, antiulcer, immunostimulant, or immunosuppressive activities. Furthermore, the impactful physicochemical properties of EPSs on their various biological activities will be reviewed.

다당류는

식물, 동물, 미생물 등 다양한 자연적 원천에서 생산될 수 있다(Li et al. 2022).

외부 다당류(EPS)는

박테리아, 효모, 곰팡이, 미세조류 등 다양한 미생물 세포가

성장 및 대사 과정에서 합성하는 세포외 탄수화물 중합체입니다.

extracellular carbohydrate polymers 

EPS는

미생물 세포에서 분비되거나 세포에 부착될 수 있습니다(Arayes et al. 2023).

EPS는

탄수화물(주요 구성 요소)과

아세테이트, 피루베이트, 숙신산, 인산염과 같은 일부 비탄수화물 치환기로 구성됩니다.

EPSs are composed carbohydrates (main part) and

some non-carbohydrate substituents like

acetate, pyruvate, succinate, and phosphate.

Various monosaccharides such as fructose, glucose, arabinose, mannose, rhamnose,

and xylose can be present in EPS structure (Al-Nabulsi et al. 2022

EPS 구조에는

과당, 포도당, 아라비노스, 만노스, 람노스, 자일로스 등

다양한 단당류가 존재할 수 있습니다(Al-Nabulsi et al. 2022).

EPS는

극한 조건에서 박테리아를 보호하고,

박테리아의 집락화와 병원성을 돕고,

박테리아 군집 내에서 유전자와 대사 산물의 교환을 촉진하는 미세환경을 제공합니다 (Arayes et al. 2023).

미생물 EPS는

제어된 조건에서 단시간에 대량으로 생산될 수 있습니다.

따라서

식물 및 조류 유래 다당류의 비용 효율적인 대체재가 될 수 있습니다.

또한 저렴한 기질 사용, 발효 조건 및 다운스트림 공정 최적화를 통한

제품 수율 향상, 또는 고수율 균주 개발을 통해 생산 비용을 절감할 수 있습니다(Freitas et al. 2011).

문헌에 따르면, 미생물 유래 EPS는

바람직한 생물학적 기능과 고부가가치 응용성을 지니며

신체 조직 세포에 독성이나 부작용이 없습니다.

이러한 바이오폴리머는

생체 적합성과 생분해성을 갖습니다(Li et al. 2023).

우수한 열 안정성과 수분 유지 능력을 지닌 EPS는

생의학적 응용 분야에 적합한 후보 물질이다(Andrew and Jayaraman 2022).

화학 요법의 독성이나 기존 약물에 대한 내성 증가(Al-Nabulsi et al. 2022)로 인해,

EPS는 화학 약물을 대체할 잠재력을 지니며

의학적으로, 약학적으로 무해한 탄수화물로 간주된다(Ji et al. 2022; Zhou and Huang 2023).

이 외에도 EPS는

약물 전달 및 조직 공학에서의 스캐폴드 합성에 활용되고 있다(Andrew and Jayaraman 2022).

또한 미생물 EPS는

식품, 사료, 포장, 화학, 섬유, 농업 및 화장품 산업에서 잠재적 응용 가능성을 지닌다

(Ates 2015; Tang and Huang 2022; Zhou and Huang 2023).

최근 몇 년간 미생물 EPS의 특성 분석 및 생물학적 활성 연구에 많은 노력이 기울여져 왔기에,

최근 논문을 검토하는 것은

그 특성과 생의학적 활성 간의 이해를 높이는 데 도움이 된다.

본 리뷰에서는

항균, 항진균, 항바이러스, 항산화, 항궤양, 면역증진 또는 면역억제 활성 등을 포함한다.

또한 EPS의 다양한 생물학적 활성에 미치는 물리화학적 특성의 영향력도 검토할 것이다.

Classification and properties of microbial EPSs

EPSs produced by microbial cells have diverse chemical composition, and they can be categorized into two groups of homopolysaccharides (HoPS) and heteropolysaccharides (HePS) (Fig. 1).

미생물 EPS의 분류 및 특성

미생물 세포가 생성하는 EPS는 다양한 화학적 구성을 가지며, 동종다당류(HoPS)와 이종다당류(HePS) 두 그룹으로 분류될 수 있다(그림 1).

Fig. 1.

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Chemical structure of some heteropolysaccharides (left) homopolysaccharides (right)

Homopolysaccharides

Homopolysaccharides (HoPSs) are contained of repeating one kind of monosaccharide with the molecular mass of ~ 107 Da (Panchal et al. 2022). They can be further classified into α-d-glucans, β-d-glucans, and fructans (Panchal et al. 2022; Bajpai et al. 2016; Nwodo et al. 2012). Examples of bacterial HoPSs with the main characteristics of them are summarized in Table 1.

Table 1.

Examples of microbial HoPSs and HePSs (Abarquero et al. 2022; (Jurášková et al. 2022; Moradi and Kalanpour 2019; Sun and Zhang 2021)

동종다당류

동종다당류(HoPS)는

하나의 단당류가 반복적으로 연결된 구조로 분자량이

약 107 Da이다(Panchal et al. 2022).

이들은

α-d-글루칸, β-d-글루칸, 프럭탄으로

추가 분류된다(Panchal et al. 2022; Bajpai et al. 2016; Nwodo et al. 2012).

주요 특성을 가진 세균성 HoPS의 예는 표 1에 요약되어 있다.

표 1.

미생물성 HoPS 및 HePS의 예 (Abarquero et al. 2022; (Jurášková et al. 2022; Moradi and Kalanpour 2019; Sun and Zhang 2021)

EPS                         Composition                            Maine linkage bond                      Branched linkage bond

HoPS
α-d-glucans
Dextran	d-glucopyranose	α-(1→6)	α-(1→2), α-(1→3), α-(1→4)
Mutan	d-glucopyranose	α-(1→3)	α-(1→6)
Alternan	d-glucopyranosyl	α-(1→3), α-(1→6)	–
Reuteran	d-glucopyranose	α-(1→4), α-(1→6)	α-(1→4)/α-(1→6)
β-d-glucans
Curdlan	d-glucopyranose	β-(1→3)	–
Cellulose	d-glucopyranose	β-(1→4)	–
Salecan	d-glucopyranosyl	β-(1→3)	–
Fructans
Levan	d-fructofuranose	β-(2→6)	β-(2→1)
Inulin	d-fructan	β-(2→1)	–
Fructooligosaccharide	d-fructosyl	β-(2→1)	–
HePS
Gellan	[4)-l-rhamnopyranose-α-(1→3)-d-glucopyranose-β-(1→4)-d-glucopyranuronic acid-β-(1→4)-d-glucopyranose*-β-(1→]n		–
Welan			l-rhamnopyranose or l-mannopyranose linked through α-(1→3) bond to the glucose moiety indicated with an asterisk.
Diutan			l-rhamnopyranose-α-(1→4)-l-rhamnopyranose linked through α-(1→3) bond to the glucose moiety indicated with an asterisk.
Kefiran	[6)-d-glucopyranose-β-(1→6(2))-d-galactopyranose*-β-(1→4)-d-galactopyranose-α- (1→3)-d-galactopyranose-β-(1→4)-d-glucopyranose-β-(1→]n		d-glucopyranose linked through β-(1→2(6)) bond to the galactose moiety indicated with an asterisk.
Xanthan	[4)-d-glucopyranose-β-(1→4)-d-glucopyranose*-β-(1→]n		d-mannopyranose-β-(1→4)-d-glucopyranuronic acid-β-(1→2)-d-mannopyranose. The last mannopyranose linked through α-(1→3) bond to the glucose moiety indicated with an asterisk.
Hyaluronic acid	[4)-d-glucuronic acid-β-(1→3)-d-N-acetylglucosamine-β-(1→]n		–
Alginate	[4)-d-manopyranuronic acid-β-(1→4)-d-manopyranuronic acid-β-(1→4)-d-manopyranuronic acid-β-(1→4)-l-guluronic acid-β-(1→4)-d-manopyranuronic acid-β-(1→]n		–

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Dextran and mutan belong to α-d-glucans. In contrary to dextran, mutan is a water-insoluble HoPS. Dextran (Fig. 1) is produced by various genera such as Leuconostoc, Lactobacillus, Limosilactobacillus, Weissella, Streptococcus, Lentilactobacillus, and Latilactobacillus. Streptococcus downei, Streptococcus mutans, Streptococcus salivarius, and Limosilactobacillus reuteri are examples of bacteria producing mutan. Alternan and reuteran are two other α-d-glucans, which are soluble in water. Alternan can be produced by Leuconostoc mesenteroides, L. citreum, and Streptococcus salivarius. The generation of reuteran was also reported by Limosilactobacillus reuteri (Jurášková et al. 2022). Curdlan, cellulose, and salecan are unbranched β-d-glucans, which among them, salecan is water-soluble (Guo et al. 2017; Sun and Zhang 2021). Curdlan (Fig. 1) is produced by Agrobacterium sp. ATCC 31,749 (Ruffing and Chen 2012), Cellulomonas flavigena KU (Kenyon and Buller 2002), Alcaligenes faecalis, Rhizobium meliloti, and Agrobacterium radiobacter (Prete et al. 2021). Acetobacter, Pseudomonas, Agrobacterium, and Rhizobium genera have ability to generate cellulose (Vu et al. 2009). Agrobacterium sp. ZX09 can produce salecan as a HoPS (Sun and Zhang 2021). Levan, inulin, and fructooligosaccharide are members of fructan that all of them have solubility in water (Jurášková et al. 2022). Limosilactobacillus reuteri, L. mesenteroides, Streptococcus mutans, Bacillus subtilis, and Streptococcus salivarius are levan producer strains (Jurášková et al. 2022; Prete et al. 2021). Streptococcus mutans, Limosilactobacillus reuteri, Leuconostoc citreum, and Lactobacillus johnsonii have ability to generate inulin (Jurášková et al. 2022). Fructooligosaccharide is also detected in the culture of Lactobacillus reuteri 121 (Sun and Zhang 2021).

덱스트란과 뮤탄은

α-d-글루칸에 속한다.

덱스트란과 달리 뮤탄은

물에 녹지 않는 HoPS이다.

덱스트란(그림 1)은

Leuconostoc, Lactobacillus, Limosilactobacillus, Weissella, Streptococcus, Lentilactobacillus, Latilactobacillus 등

다양한 속의 균에 의해 생성된다.

Streptococcus downei, Streptococcus mutans, Streptococcus salivarius, Limosilactobacillus reuteri 등이

뮤탄을 생성하는 세균의 예입니다.

알터난과 로이테란은

물에 용해되는 다른 두 가지 α-d-글루칸입니다.

알터난은

Leuconostoc mesenteroides, L. citreum, Streptococcus salivarius에 의해 생성될 수 있습니다.

로이테란의 생성은

Limosilactobacillus reuteri에 의해서도 보고되었습니다 (Jurášková et al. 2022).

커들란, 셀룰로오스, 살레칸은

분지되지 않은 β-d-글루칸으로,

그중 살레칸은 수용성입니다 (Guo et al. 2017; Sun and Zhang 2021).

커들란(그림 1)은

Agrobacterium sp. ATCC 31,749 (Ruffing and Chen 2012),

Cellulomonas flavigena KU (Kenyon and Buller 2002),

Alcaligenes faecalis, Rhizobium meliloti 및 Agrobacterium radiobacter (Prete et al. 2021)에 의해

생산됩니다.

Acetobacter, Pseudomonas, Agrobacterium 및 Rhizobium 속은

셀룰로오스를 생성하는 능력을 가지고 있다(Vu et al. 2009).

Agrobacterium sp. ZX09는

HoPS로서

살레칸을 생산할 수 있다(Sun and Zhang 2021).

레반, 이눌린 및 프럭토올리고당은

모두 물에 용해되는 프럭탄의 일원이다 (Jurášková et al. 2022).

Limosilactobacillus reuteri, L. mesenteroides, Streptococcus mutans, Bacillus subtilis 및 Streptococcus salivarius는

레반 생산 균주입니다 (Jurášková et al. 2022; Prete et al. 2021).

Streptococcus mutans, Limosilactobacillus reuteri, Leuconostoc citreum 및 Lactobacillus johnsonii는

이눌린 생성 능력이 있습니다(Jurášková et al. 2022).

프럭토올리고당 또한 Lactobacillus reuteri 121 배양액에서

검출되었습니다(Sun and Zhang 2021).

Heteropolysaccharides

Heteropolysaccharides (HePSs) are complex because of two or more kinds of monosaccharides in their structures. Pentose, hexose, N-acetylated monosaccharide, and non-carbohydrate units can be present in branched or unbranched HePSs (Jurášková et al. 2022; Abarquero et al. 2022). The molecular mass of HePSs is within 104 to 106 Da (Panchal et al. 2022). The structure of some HePSs is presented in Table 1. The backbone of gellan, wellan, and diutan are the same, and it constructs from l-rhamnopyranose, d-glucopyranose, and d-glucopyranuronic acid subunits. Gellan (Fig. 1) is linear, however, wellan, and diutan have different branched structures (Sun and Zhang 2021). All of them are water-soluble (Nadzir et al. 2021; González et al. 2019; Li et al. 2020), and their production reported by Sphingomonas and Pseudomonas strains (Sun and Zhang 2021). Kefiran is another branched HePS, which is made from d-glucopyranose and d-galactopyranose units. Kefiran is a water-soluble polysaccharide, and several species of Lactobacillus such as L. kefir, L. parakefir, L. kefiranofaciens, L. kefirgranum, and L. delbrueckii subsp. bulgaricus have the ability to generate it (Moradi and Kalanpour 2019). The composition of the xanthan backbone is similar to cellulose, while its branch structure makes from d-mannopyranose and d-glucopyranuronic acid. Xanthan (Fig. 1) is water-soluble EPS (Nadzir et al. 2021), which can be produced by Xanthomonas campestris and Sphingomonas paucimobilis (Jurášková et al. 2022). Hyaluronic acid (Fig. 1) with the composition of d-glucuronic acid and d-N-acetylglucosamine is linear water-soluble HePS (Sun and Zhang 2021; Nadzir et al. 2021). Streptococcus equi, S. zooepidemicus, S. pyogenes, Pasteurella multocida, and Cryptococcus neoformans are natural bacteria that produce hyaluronic acid (Sze et al. 2016). Alginate is linear HePS with solubility in water (S et al. 2020). Its subunits consist of d-manopyranuronic acid and l-guluronic acid (Sun and Zhang 2021). Pseudomonas aeruginosa and Azotobacter vinelandii are main producer of alginate (Nadzir et al. 2021).

이종다당류(HePSs)

이종다당류(HePSs)는

구조 내에 두 가지 이상의 단당류가 존재하기 때문에 복잡합니다.

분지형 또는 비분지형 이종다당류에는

오당류, 육당류, N-아세틸화 단당류 및 비탄수화물 단위가 포함될 수 있습니다

(Jurášková et al. 2022; Abarquero et al. 2022).

HePS의 분자량은

104~106 Da 범위이다(Panchal et al. 2022).

일부 HePS의 구조는 표 1에 제시되어 있다.

겔란, 웰란, 디우탄의 골격은 동일하며,

l-람노피라노스, d-글루코피라노스, d-글루코피라누론산 단위로 구성된다.

겔란(그림 1)은 선형 구조를 가지나,

웰란과 디우탄은 서로 다른 분지 구조를 가진다(Sun and Zhang 2021).

이들 모두 수용성이다(Nadzir et al. 2021; González et al. 2019; 리 외 2020),

그리고

스핑고모나스(Sphingomonas) 및 슈도모나스(Pseudomonas) 균주에 의한

생산이 보고되었다(쑨과 장 2021).

케피란은

또 다른 분지형 헤파린 다당류(HePS)로,

d-글루코피라노스 및 d-갈락토피라노스 단위로 구성된다.

케피란은 수용성 다당류이며,

L. 케피르(L. kefir), L. parakefir, L. kefiranofaciens, L. kefirgranum, L. delbrueckii subsp. bulgaricus 등

여러 종의 락토바실러스(Lactobacillus)가 이를 생성할 수 있는 능력을 가지고 있다(Moradi and Kalanpour 2019).

잔탄의 주사슬 구성은

셀룰로오스와 유사하지만,

분지 구조는 d-만노피라노스 및 d-글루코피라노르닉산으로 이루어집니다.

잔탄(그림 1)은

수용성 EPS(Nadzir et al. 2021)로, 잔토모나스 캄페스트리스(Xanthomonas campestris) 및

스핑고모나스 파우시모빌리스(Sphingomonas paucimobilis)에 의해 생산될 수 있습니다(Jurášková et al. 2022).

히알루론산(그림 1)은

d-글루로닉산과 d-N-아세틸글루코사민으로 구성된

선형 수용성 HePS입니다(Sun and Zhang 2021; Nadzir et al. 2021).

Streptococcus equi, S. zooepidemicus, S. pyogenes, Pasteurella multocida 및 Cryptococcus neoformans는

히알루론산을 생성하는 자연 발생 박테리아입니다 (Sze et al. 2016).

알지네이트는

물에 용해되는 선형 HePS이다(S et al. 2020).

그 하위 단위는

d-만노피라노산과 l-굴루론산으로 구성된다(Sun and Zhang 2021).

Pseudomonas aeruginosa와 Azotobacter vinelandii는

알지네이트의 주요 생산균이다(Nadzir et al. 2021).

Antibacterial activities

Microbial EPSs showed considerable inhibiting effects on adherence, colonization, or growth of various Gram-positive (e.g. Listeria monocytogenes, Micrococcus luteus, Bacillus subtilis, Bacillus cereus and Staphylococcus aureus, Staphylococcus petrasii, Enterococcus faecalis) and Gram-negative (e.g. Salmonella enteritidis, Escherichia coli, Heliobacter pylori, Acinetobacter baumannii, Proteus mirabilis, Enterobacter cloacae, Pseudomonas aeruginosa, Shigella flexneri) bacterial pathogens. These bacteriostatic or bactericidal EPSs are produced by bacteria belonging to Lactobacillus, Lactococcus, Streptococcus, Bifidobacterium, Bacillus, Weissella, Leuconostoc, Limosilactobacillus genera (Table 2). Some of these microbial EPSs showed broad-spectrum activities while others act specifically (Angelin and Kavitha 2020).

항균 활성

미생물 EPS는

다양한 그람양성균

(예: Listeria monocytogenes, Micrococcus luteus, Bacillus subtilis, Bacillus cereus 및

Staphylococcus aureus, Staphylococcus petrasii, Enterococcus faecalis) 및

그람음성균(예: Salmonella enteritidis, Escherichia coli, Heliobacter pylori, Acinetobacter baumannii, Proteus mirabilis, Enterobacter cloacae, Pseudomonas aeruginosa, Shigella flexneri)

병원성 세균에 대해 상당한 억제 효과를 나타냈다.

이러한 정균성 또는 살균성 EPS는

Lactobacillus, Lactococcus, Streptococcus, Bifidobacterium, Bacillus, Weissella, Leuconostoc, Limosilactobacillus 속의 박테리아에 의해 생성됩니다(표 2).

이러한 미생물 EPS 중 일부는

광범위한 스펙트럼의 활성을 보인 반면,

다른 일부는 특이적으로 작용합니다(Angelin and Kavitha 2020).

Table 2.

Antibacterial activities of microbial EPSs

EPS producing speciesConcentrationConstituentsAssayAntibacterial activityOther activitiesReferencesMolecular Weight (kDa)

Lactobacillus plantarum EPLB	0.064–1 mg/ml	NR	Microdilution	Antibacterial activity against S.aureus, S. typhimurium, P. aeruginosa, and L. monocytogenes	Antioxidant and antibiofilm activities	Mahdhi et al. (2017)
		36
Lactobacillus kefiranofaciens DN1	1 and 2.5% w/v	Man, Ara, Glc, Gal, Rha	Growth curve analysis	Bactericidal effect on L.monocytogenes, and S. enteritidis	NR	Jeong et al. (2017)
		NR
Bacillus licheniformis Dahb1	25–100 µg/ml	NR	Agar diffusion and microdilution tests	Antibacterial activities against P.aeruginosa, P. vulgaris, B. subtilis, and B. pumilus	Antioxidant, antibiofilm, larvicidal activities	Abinaya et al. (2018)
		NR
Weissella cibaria 27	NR	Glc	Agar spot test	Antibacterial activities against E. coli, B. subtilis, and S. aureus	NR	Yu et al. (2018)
		12,000
Leuconostoc pseudomesenteroides YB-2	2–3 mg/ml	Glc	Agar spot test and microdilution	Antibacterial activities against E. coli and S. aureus	Rheological property	Ye et al. (2019)
		767
Lactobacillus gasseri FR4	10 mg/mL	Glu, Man, Gal, Rha, Fruc	Agar well diffusion	Antibacterial activities against E. coli, L. monocytogenes, S. aureus, and E. faecalis	Antioxidant and anti-biofilm activities	Rani et al. (2018)
		186
Lactobacillus plantarum YW32	0.2–5 mg/ml	Man, Fruc, Gal, Glc	Crystal violet assay	Antibiofilm activity against E.coli, S. flexneri, S. aureus, and S. typhimurium	Antioxidant and antitumor activities	Wang et al. (2015b)
		103
Lactococcus lactis F-mou strain	100–300 mg/mL	Glc, Gal, Fruc	Agar diffusion method	Antibacterial activity against S. aureus, P. aeruginosa, E. coli, L. monocytogenes, B. cereus, P. mirabilis, A. baumannii, E. cloacae	Inhibitory effect on Candida albicans, antioxidant and emulsifying activities	Nehal et al. (2019)
		NR
Lactobacillus sp. Ca6	10 mg/ml	Glc	Agar-well diffusion assay	Antibacterial activity against S. enterica, and M. luteus	Antioxidant and wound healing activities	Trabelsi et al. (2017)
		NR
Lactobacillus johnsonii FI9785	NR	Glc, Gal	Crystal violet assay	Competitive inhibition of pathogens through surface hydrophobicity and auto-aggregation	NR	Dertli et al. (2015)
		NR
Lactobacillus plantarum C70	5 mg/ml	Ara, Man, Glu, Gal	Growth curve analysis	Antibacterial activity against E. coli, S. aureus, S.typhimurium, L.monocytogenes	Rheological properties, antioxidant, antidiabetic, and anticancer activities	Ayyash et al. (2020b)
		380
Lacticaseibacillus paracasei  M7	0.025–0.4 mg/ml	Man, Glc Gal	Crystal violet assay	Antibiofilm effect on E. faecalis, B.subtilis, B. cereus, S. aureus, Klebsiella sp., P. aeruginosa	Hypocholesterolemic, emulsifier, and antioxidant activities	Bhat and Bajaj (2019)
		NR
Lactobacillus fermentum LB-69	0.1–1.0 mg/mL	Man, Glc	Crystal violet assay	Antibacterial activity against L. monocytogenes, E. fecalis, B. cereus, P. aeruginosa	Prebiotic activity	Sarikaya et al. (2017)
		NR
Lactobacillus rhamnosus strains	5 mg/ml	NR	Agar well diffusion	Antibacterial effects on E. coli and S. typhimurium	Antibiofilm, flocculating, emulsifying, antioxidant, and antitumor activities	Rajoka et al. (2018)
		NR
Streptococcus S.thermophilus GST	10 mg/ml	Glu, Gal/NR	Agar diffusion test	Antibacterial activity against S.typhimurium, E.coli, S. aureus	Antioxidant activity	Zhang et al. (2016)
		NR
Lactococcus garvieaeC47	5 mg/ml	Glc, Ara, Xyl	Growth curve analysis	Antibacterial activity against S. aureus, S. typhimurium, L. monocytogenes, E. coli	Rheological properties	Ayyash et al. (2020a)
		7300
Lactobacillus delbureckii subsp. Bulgaricus	NR	Rib, Xyl, Ara, Rha, Fruc, Glc, Man, and Gal	Agar Well Diffusion method	B. subtilis, S. aureus	Antioxidant and immunomodulatory activities	Adebayo-Tayo and Fashogbon (2020)
		NR
Lacticaseibacillus paracasei AS20(1)	1.5–100 mg/ml	Glc/ Fruc/NR	Spot-on-lawn antimicrobial assay, MIC and MBC	L. monocytogenes, Y. enterocolitica and B. cereus	Antibiofilm, Anticancer	Amini et al. (2022a, b)
Enterococcus durans DU1	0.195–12.5 mg mL − 1	Glc, Fruc/NR	Crystal violet assay	Y. enterocolitica, S. aureus, and B. cereus	NR	Soliemani et al. (2022)
Pichia sp. DU2	0.195–12.5 mg mL − 1	Glc, Fruc/NR	Crystal violet assay	Y. enterocolitica and B. cereus	Emulsifying activity	Salimi and Imanparast (2022)

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NR Not reported

Antibacterial mechanisms of microbial EPSs may be related to disrupting the structure of bacterial cell membrane, cell wall, or respiratory chain, affecting cell division machinery (Hu et al. 2019; Hasheminya and Dehghannya 2020; Wu et al. 2010). Microbial EPSs cannot permeate to the other cells so probably impose their antibacterial activity by combining with oligopeptides or acyl-homoserine lactone in Gram-positive and Gram-negative bacteria, respectively. These compounds are biofilm-related signal molecules. EPSs via this mechanism disrupt cell communication and suppress formation of biofilm (Spanò et al. 2016). Therefore, microbial EPSs could be effective therapeutic molecules in ameliorating biofilm-related chronic and recurrent infections (Fig. 2).

미생물 EPS의 항균 기전은

세균 세포막, 세포벽 또는 호흡 사슬의 구조를 파괴하거나

세포 분열 기구에 영향을 미치는 것과 관련될 수 있다 (Hu et al. 2019; Hasheminya and Dehghannya 2020; Wu et al. 2010).

미생물 EPS는

다른 세포로 침투할 수 없으므로,

그람 양성균과 그람 음성균에서 각각 올리고펩타이드 또는

아실-호모세린 락톤과 결합하여 항균 활성을 발휘할 가능성이 있다.

이러한 화합물은

생물막 관련 신호 분자이다.

이러한 기전을 통해 EPS는

세포 간 통신을 방해하고 생물막 형성을 억제한다 (Spanò et al. 2016).

따라서 미생물 EPS는

생물막 관련 만성 및 재발성 감염 개선에 효과적인 치료 분자가 될 수 있다(그림 2).

Fig. 2.

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Antibacterial mechanisms of microbial EPSs

Also, microbial EPSs via protecting their producing cells from a strong immunological response of the host (Paynich et al. 2017) or through acting as prebiotics enhance adherence and subsequent the colonization of microflora on host cells. So, they can competitively inhibit colonization of bacterial pathogens. Also, microbial EPSs can reduce the autoaggregation of bacterial pathogens and make bacterial pathogens more susceptible to immunological response inside the host (Dertli et al., 2015). EPS-producing probiotics can attach to microbial pathogens through their EPS. This coaggregation accelerates their antimicrobial functions through blocking the receptors or channels on the outer membrane of the Gram-negative pathogenic bacteria (Abdalla et al. 2021).

Microbial EPSs have various functional groups, including hydroxyl, phosphate, and carbonyl groups. It has been suggested that these functional groups are involved in the interaction of microbial EPSs with the cell membranes or cell walls of bacterial pathogens. So, they play a critical role in exerting antimicrobial activities (Fig. 3) (Riaz Rajoka et al. 2020).

미생물 EPS의 항균 메커니즘

또한 미생물 EPS는

생성 세포를 숙주의 강력한 면역 반응으로부터 보호하거나(Paynich et al. 2017)

프리바이오틱스 역할을 하여 미생물 군집의 숙주 세포 부착 및 정착을 촉진합니다.

따라서, 그들은

박테리아 병원균의 집락을 경쟁적으로 억제할 수 있습니다.

또한, 미생물 EPS는

박테리아 병원균의 자가 응집을 감소시키고

박테리아 병원균이 숙주 내부의 면역 반응에 더 취약하게 만듭니다 (Dertli et al., 2015).

EPS를 생성하는 프로바이오틱스는

EPS를 통해 병원성 미생물에 부착할 수 있습니다.

이러한 공동 응집은

그람 음성 병원성 박테리아의 외막에 있는 수용체나 통로를 차단함으로써

항균 기능을 가속화합니다 (Abdalla et al. 2021).

미생물 EPS는

하이드록실, 인산염, 카르보닐 그룹 등 다양한 기능성 그룹을 지닙니다.

이러한 기능성 그룹이

병원성 세균의 세포막 또는 세포벽과의 상호작용에 관여하는 것으로 제안되었습니다.

따라서 이들은 항균 활성 발휘에 핵심적인 역할을 합니다(그림 3) (Riaz Rajoka et al. 2020).

Fig. 4.

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Anticancer mode actions of microbial EPSs

Antifungal activities

Some microbial EPSs, especially negatively charged ones, show antifungal activity. The negative charge provides better electrostatic interactions with fungi. L. rhamnosus GG produces EPS, which inhibited the hyphal formation of Candida in in vitro cell culture. Furthermore, this EPS in a gut model, decreases the hyphal elongation of C. albicans. The dextran of Weissella confuse has the ability to significantly inhibit the biofilm formation of C. albicans SC5314. Moreover, EPS produced by Lactobacillus strains shows antifungal activity (Abdalla et al. 2021). The EPS of Gloeocapsa sp. and Nostoc entophytum prevents the growth of C. albicans (Najdenski et al. 2013). According to the report of Abinaya et al. (2018), Bacillus licheniformis Dahb1 EPS showed antibiofilm activity toward C. albicans.

항진균 활성

일부 미생물 EPS,

특히 음전하를 띤 EPS는 항진균 활성을 나타냅니다.

음전하는

진균과의 정전기적 상호작용을 강화시킵니다. 

L. rhamnosus GG가 생성하는 EPS는 시험관 내 세포 배양에서 Candida의 균사체 형성을 억제했습니다. 또한 이 EPS는 장 모델에서 C. albicans의 균사 연장도 감소시킵니다. Weissella confusa의 덱스트란은 C. albicans SC5314의 생물막 형성을 현저히 억제하는 능력을 가집니다. 더불어 Lactobacillus 균주가 생산하는 EPS도 항진균 활성을 보입니다(Abdalla et al. 2021).. Gloeocapsa sp. 및 Nostoc entophytum의 EPS는 C. albicans의 성장을 억제한다(Najdenski et al. 2013). Abinaya et al. (2018)의 보고에 따르면, Bacillus licheniformis Dahb1 EPS는 C. albicans에 대해 항생물막 활성을 보였다.

Antiviral effects

Microbial EPSs can exert their antiviral effects locally or systemically. In local mode action, the EPSs directly interact with either the viruses or the receptors on the host cell. So, block viral adsorption while in systemic mode actions microbial EPSs stimulate the innate and adaptive immunity or suppress viral replication enzymes (Saadat et al. 2019).

Some microbial EPSs, mainly sulfated polysaccharides like dextran exhibited both inhibitory mode actions (Bell and Lu, 2010; Lin and Huang 2022). L. sakei MN1-derived dextran inhibited infectious pancreatic necrosis virus and infectious hematopoietic necrosis virus. The in vivo treatment of trout with the EPS, decreased their mortality rate of these viruses and considerably enhanced the expression‎ of interferon (IFN)-1 (Vázquez et al., 2017). In the following, the antiviral activities of some microbial exopolysaccharides are represented.

Treated cells with EPS 26a-derived Lactobacillus spp. completely suppressed viral adsorption and the formation of infectious human adenovirus C serotype 5 particles as well as their release (Biliavska et al. 2019).

Kim et al. (2018), demonstrated that L. plantarum LRCC5310 EPS hindered the attachment of the rotavirus and subsequently reduced diarrhea duration, epithelial lesions, rotavirus replication in the intestine, and the recovery time of young mice. Also, L. delbrueckii TUA4408L-derived HePS reduced viral replication and regulated inflammatory response consequently enhanced the resistance of porcine intestinal epitheliocytes to rotavirus infection. This EPS considerably increased the expression‎ of the antiviral (IFN)-β, MxA, and RNase L (Kanmani et al. 2018a; Mizuno et al. 2020), also reported that the EPS of S. thermophilus ST538 activated TLR3 in porcine intestinal epitheliocytes subsequently modulated the innate antiviral immune response.

Microbial EPS also can suppress respiratory viruses. Kanmani et al. (2018b), demonstrated that oral administration of L. delbrueckii OLL1073R-1 HePS considerably reduced influenza virus titer and increased IgA and IgG1. Furthermore, it activated natural killer cells. Also, Lactobacillus plantarum SN35N-derived EPS suppressed the influenza A virus and Vesivirus Feline calicivirus (Noda et al. 2021). Also, EPSs from Haloarcula hispanica ATCC33960 suppressed binding spike protein of SARS-CoV-2 to Vero E6 and bronchial epithelial BEAS-2B cells (Xu et al. 2022b).

항바이러스 효과

미생물 EPS는 국소적 또는 전신적으로 항바이러스 효과를 발휘할 수 있습니다. 국소 작용 모드에서는 EPS가 바이러스 또는 숙주 세포의 수용체와 직접 상호작용합니다. 따라서 바이러스 흡착을 차단하는 반면, 전신 작용 모드에서는 미생물 EPS가 선천적 및 적응 면역을 자극하거나 바이러스 복제 효소를 억제합니다(Saadat et al. 2019).

일부 미생물 EPS, 주로 덱스트란과 같은 황산염 다당류는 두 가지 억제 모드 작용을 모두 나타냈다 (Bell and Lu, 2010; Lin and Huang 2022). L. sakei MN1 유래 덱스트란은 전염성 췌장 괴사 바이러스(IPNV)와 전염성 조혈 괴사 바이러스(IHNV)를 억제했습니다. 송어에 EPS를 생체 내 투여했을 때, 이들 바이러스에 대한 치사율이 감소했으며 인터페론(IFN)-1 발현이 현저히 증가했습니다(Vázquez et al., 2017). 다음은 일부 미생물 외부 다당류의 항바이러스 활성 사례입니다.

EPS 26a 유래 Lactobacillus spp.로 처리한 세포는 감염성 인간 아데노바이러스 C 혈청형 5의 입자 형성 및 방출과 함께 바이러스 흡착을 완전히 억제하였다(Biliavska et al. 2019).

Kim 등(2018)은 L. plantarum LRCC5310 EPS가 로타바이러스의 부착을 방해하여 설사 지속 기간, 상피 병변, 장내 로타바이러스 복제 및 어린 생쥐의 회복 시간을 감소시킨다는 것을 입증했습니다. 또한, L. delbrueckii TUA4408L 유래 HePS는 바이러스 복제를 감소시키고 염증 반응을 조절하여 돼지 장 상피세포의 로타바이러스 감염에 대한 저항성을 향상시켰습니다. 이 EPS는 항바이러스제(IFN)-β, MxA 및 RNase L의 발현을 상당히 증가시켰습니다(Kanmani et al. 2018a; Mizuno et al. 2020). 또한, S. thermophilus ST538의 EPS가 돼지 장 상피 세포에서 TLR3을 활성화하여 선천적 항바이러스 면역 반응을 조절한다는 보고도 있습니다.

미생물 EPS는 호흡기 바이러스도 억제할 수 있다. Kanmani 등(2018b)은 L. delbrueckii OLL1073R-1 HePS의 경구 투여가 인플루엔자 바이러스 역가를 현저히 감소시키고 IgA 및 IgG1을 증가시켰음을 입증했다. 또한, 이는 자연살해세포를 활성화시켰다. 또한 Lactobacillus plantarum SN35N 유래 EPS는 인플루엔자 A 바이러스와 고양이 칼리시바이러스(Vesivirus Feline calicivirus)를 억제했습니다(Noda et al. 2021). 또한 Haloarcula hispanica ATCC33960의 EPS는 SARS-CoV-2의 스파이크 단백질이 Vero E6 세포와 기관지 상피 BEAS-2B 세포에 결합하는 것을 억제했습니다(Xu et al. 2022b)..

Microbial EPSs also can be considered promising anti-herpes virus polymers. Since, Bacillus licheniformis-derived EPS-1 impaired Herpes Simplex Virus type 2 (HSV-2) replication in human peripheral blood mononuclear cells (PBMC) through induction of IL-12, IFN-g, IFN-a, TNF-a, and IL-18 (Arena et al. 2006). Also, EPS-2 produced by Geobacillus thermodenitrificans hindered HSV-2 replication in PBMC through the induction of cytokine production (Arena et al. 2009; El Awady et al. 2019), reported antiviral activities of Streptomyces hirsutus NRC2018-derived EPS on HSV1, Hepatitis A virus, and Coxsackie B-4. Also, Reichert et al. (2017), demonstrated that EPS of A. platensis hindered koi herpesvirus replication in common carp brain cells. Finally, Arthrospira platensis-derived EPS exhibited inhibitory activities on vaccinia and ectromelia viruses (Radonić et al. 2011), and EPS from Weissella paramesenteroides MN2C2 exhibited antiviral activity against Coxsackie virus (Amer et al. 2021).

미생물 EPS는 유망한 항헤르페스 바이러스 폴리머로도 고려될 수 있다. Bacillus licheniformis 유래 EPS-1은 인간 말초혈 단핵구(PBMC)에서 IL-12, IFN-γ, IFN-α, TNF-α 및 IL-18 유도를 통해 단순포진바이러스 2형(HSV-2) 복제를 저해했기 때문이다(Arena et al. 2006).. 또한 Geobacillus thermodenitrificans가 생성한 EPS-2는 사이토카인 생산 유도를 통해 PBMC 내 HSV-2 복제를 방해했습니다(Arena et al. 2009; El Awady et al. 2019). Streptomyces hirsutus NRC2018 유래 EPS의 HSV1, A형 간염 바이러스, 콕사키 B-4 바이러스에 대한 항바이러스 활성도 보고되었습니다. 또한 Reichert 등(2017)은 A. platensis의 EPS가 일반 잉어 뇌 세포에서 잉어 헤르페스바이러스 복제를 방해함을 입증했다. 마지막으로, Arthrospira platensis 유래 EPS는 백신 바이러스 및 에크트로멜리아 바이러스에 대한 억제 활성을 나타냈으며(Radonić et al. 2011), Weissella paramesenteroides MN2C2의 EPS는 콕사키 바이러스에 대한 항바이러스 활성을 보였습니다(Amer et al. 2021).

Anticancer activities

Microbial EPSs have displayed antiproliferative properties against various cancers, including colon, breast, pancreatic, leukemia, and cervical cancers (Jurášková et al. 2022). The chemical characteristics of microbial EPSs like molecular composition, molecular weight, the presence of uronic acid and sulfate groups as well as β-type glycosidic bonds are influential factors in their anticancer activities (Ismail and Nampoothiri 2013; (Wang et al. 2014a; Hou et al. 2021). Microbial EPSs probably through the following mechanisms exert their anticancer activities: act as antioxidants, bind to genotoxic carcinogens, induce apoptosis, and improve immunity (Fig. 4) (Koller et al. 2008).

L. plantarum and L. rhamnosus-derived EPSs can bind to various mutagens, like 2-nitrofluorene, heterocyclic amines, and 4-nitroquinoline-N-oxide reduce their mutagenic potential (Tsuda et al. 2008; Thapa and Zhang 2009).

Studies have shown that microbial EPSs can be effective against various colon cancer cell lines, including HT-29, Caco-2, and CT26. Antiproliferative effects of EPSs produced by L. casei 01 (Liu et al. 2011a) and L. plantarum 70,810 (Wang et al. 2014a), L. rhamnosus ATCC 9595 (Kim et al. 2006), L. brevis and L. delbrueckii subsp. bulgaricus on the HT-29 malignant cell line was reported.

EPSs with antioxidant activity may suppress cancers. It has been shown that the anti-HT-29 activity of L. plantarum 70,810 EPS can be related to its antioxidant activity and it was increased after acetylation modification (Wang et al. 2014a). Also, L. rhamnosus SHA111 EPS with ability to scavenge hydroxyl and superoxide radicals displayed antitumor activity against the Caco-2 cell line (Rajoka et al. 2018).

Also, microbial EPSs through apoptosis induction can exert their anticancer activities. Apoptosis can occur through caspase-dependent intrinsic and extrinsic pathways. In the intrinsic pathway caspase-3, caspase-9, BCl-2, and BAX are expressed and expression‎ of caspase-8 and caspase-10 are done in the extrinsic pathway. Caspase-3 activation is indicating that cell shrinkage, nuclear fragmentation, and chromatin condensation have been occurred in cancerous cells without affecting surrounding healthy cells or tissues (Angelin and Kavitha 2020).

For example, Lactobacillus kefiri EPS the upregulated the expression‎ of Cytochrome-c, Bax, Bad, Caspase-3, -8, and -9 in HT-29 cancerous cells (Rajoka et al. 2019). Also, Lactobacillus strain SB27-derived EPS increased activation of caspase-3 and subsequently induced apoptosis and arrested cell cycle. Moreover, Lactobacillus casei SB27 EPSs (LW1 and LW2) significantly inhibited the proliferation of HT-29 colorectal cancer cells through upregulation of Bad, Bax, Caspase-3, and -8 gene expressions (Di et al. 2017).

Kim et al. (2010), reported the Lactobacillus acidophilus 606 EPS exert its antitumourigenic activity against HT-29 colon cancer cells by activating autophagic cell death which was promoted through inducing of Beclin-1, Grp78, Bcl-2, and Bak.

Tukenmez et al. (2019), showed that EPSs of four Lactobacillus spp. were capable to induce apoptosis in HT-29 via increasing the expression‎ of Bax, Caspase-3 and -9 while decreasing Bcl-2 and Survivin. Among these EPSs, EPS of L. delbrueckii ssp. bulgaricus B3 which contained the highest amount of mannose and the lowest amount of glucose showed the highest apoptosis induction.

Anticancer activity of microbial EPSs on other colon cancer cell lines like Caco-2 and CT26 have also been reported. For example, Lactobacillus fermentum YL-11 EPS suppressed the proliferation of HT-29 and Caco-2 colon cancer cells (Wei et al. 2019). El-Debb et al. (2018), reported that the HePS produced by L. acidophilus 20,079 displayed anti-Caco-2 activity via apoptotic and NF-κB inflammatory pathways. Also, The Lactobacillus acidophilus 20,079-derived EPS suppressed cell proliferation of the CaCo-2 cell line (El-Deeb et al. 2018).

Zhou et al. (2017), demonstrated the inhibitory activity of Lactobacillus plantarum NCU116-derived EPS on the proliferation and survival of CT26 cell line (a murine colorectal carcinoma cell line) through induction of apoptosis.

Inhibitory activity of microbial EPSs on other cancerous cells is also reported. For example, L. plantarum and L. helveticus EPSs suppressed breast cancer and gastric cancer cell lines, respectively (Ismail and Nampoothiri 2013; Li et al. 2014). Pediococcus pentosaceus M41 EPS displayed inhibitory activity against Caco-2 and MCF-7 cells (Ayyash et al. 2020c). Lactococcus lactis subsp. lactis EPS was found to affect the production of inflammatory cytokines and considerably increased TNF-α and inducible nitric oxide (NO) synthase release in MCF-7 cells in comparison with control cells (Wu et al. 2016).

Microbial EPS also can exert their anticancer activity through stimulating cell-mediated immune responses, like tumoricidal activity of natural killer cells, the proliferation of t-lymphocyte, and phagocytic capacity of mononuclear cells. In this regard, it has been reported that L. lactis subsp. lactis EPS induced the apoptosis of MCF17 cells along with nuclear condensation and cell shrinkage, enhancing intracellular calcium levels and production of inflammatory cytokine (Wu et al. 2016).

Lactobacillus plantarum RJF4 EPS showed inhibitory activity against the MiaPaCa2-pancreatic cancer cell line. Its antiproliferative activity can be due to its antioxidant activities (Dilna et al. 2015; Chen et al. 2015), demonstrated that Pseudoaltermonas sp. S-5 EPS suppressed the proliferation of human leukemia K562 cells.

Sungur et al., reported the inhibitory effect of L. gasseri strains-derived EPSs on proliferation of cervical cancerous cells. These EPSs induced apoptosis, upregulated expression‎ of Bax and Caspase-3 in Hela cells (Sungur et al. 2017).

EPS of Bacillus mycoides BS4 displayed antitumor activity on human hepatocellular carcinoma and colorectal adenocarcinoma cells. This microbial EPS demonstrated low cytotoxicity against the normal cell baby hamster kidneys (Farag et al. 2020). Therefore, microbial EPSs can be considered promising natural polymers to develop antitumor drugs with lower side effects than current chemical drugs.

항암 활성

미생물 EPS는

대장암, 유방암, 췌장암, 백혈병, 자궁경부암 등

다양한 암에 대해 항증식 특성을 나타냈다 (Jurášková et al. 2022).

분자 구성, 분자량, 우론산 및 황산염기의 존재, β-형 글리코시드 결합과 같은

미생물 EPS의 화학적 특성은 항암 활성에 영향을 미치는 요소들이다

(Ismail and Nampoothiri 2013; (Wang et al. 2014a; Hou et al. 2021).

미생물 EPS는 아마도 다음과 같은 메커니즘을 통해 항암 활성을 발휘할 것입니다:

항산화제 역할, 유전독성 발암 물질에 결합, 세포 사멸 유도, 면역력 향상 (그림 4) (Koller et al. 2008).

L. plantarum 및 L. rhamnosus 유래 EPS는 2-니트로플루오렌, 헤테로사이클릭 아민, 4-니트로퀴놀린-N-옥사이드와 같은 다양한 변이원성 물질에 결합하여 그 변이원성 잠재력을 감소시킬 수 있습니다 (Tsuda et al. 2008; Thapa and Zhang 2009).

연구에 따르면 미생물 EPS는 HT-29, Caco-2 및 CT26을 포함한 다양한 대장암 세포주에 대해 효과적인 것으로 나타났습니다. L. casei 01 (Liu et al. 2011a), L. plantarum 70,810 (Wang et al. 2014a), L. rhamnosus ATCC 9595 (Kim et al. 2006), L. brevis 및 L. delbrueckii subsp. bulgaricus가 HT-29 악성 세포주에 미치는 항증식 효과가 보고되었다.

항산화 활성을 지닌 EPS는 암을 억제할 수 있다. L. plantarum 70,810 EPS의 항-HT-29 활성은 항산화 활성과 관련이 있을 수 있으며, 아세틸화 변형 후 증가하는 것으로 나타났다(Wang et al. 2014a)또한, 하이드록실 및 슈퍼옥사이드 라디칼을 소거하는 능력을 가진 L. rhamnosus SHA111 EPS는 Caco-2 세포주에 대해 항종양 활성을 나타냈다(Rajoka et al. 2018).

또한, 미생물 EPS는 세포사멸(apoptosis) 유도를 통해 항암 활성을 발휘할 수 있다. 세포사멸은 카스파제(caspase) 의존적 내인성 및 외인성 경로를 통해 발생할 수 있다. 내인성 경로에서는 카스파제-3, 카스파제-9, BCl-2 및 BAX가 발현되며, 외인성 경로에서는 카스파제-8과 카스파제-10의 발현이 이루어집니다. 카스파제-3 활성화는 주변 정상 세포나 조직에 영향을 주지 않으면서 암세포에서 세포 수축, 핵 분열 및 염색질 응축이 발생했음을 나타냅니다(Angelin and Kavitha 2020)예를 들어, Lactobacillus kefiri EPS는 HT-29 암세포에서 Cytochrome-c, Bax, Bad, Caspase-3, -8 및 -9의 발현을 상향 조절했습니다(Rajoka et al. 2019). 또한 Lactobacillus 균주 SB27 유래 EPS는 카스파제-3의 활성화를 증가시켜 세포 사멸을 유도하고 세포 주기를 정지시켰습니다. 게다가, Lactobacillus casei SB27 EPS(LW1 및 LW2)는 Bad, Bax, Caspase-3 및 -8 유전자 발현의 상향 조절을 통해 HT-29 대장암 세포의 증식을 현저히 억제하였습니다 (Di et al. 2017).

Kim et al. (2010)은 Lactobacillus acidophilus 606 EPS가 Beclin-1, Grp78, Bcl-2 및 Bak 유도를 통해 촉진된 자가포식 세포 사멸을 활성화함으로써 HT-29 대장암 세포에 대한 항종양 활성을 발휘한다고 보고했습니다.

Tukenmez et al. (2019)는 네 가지 Lactobacillus 종의 EPS가 Bax, Caspase-3 및 -9 발현을 증가시키고 Bcl-2와 Survivin 발현을 감소시켜 HT-29에서 세포사멸을 유도할 수 있음을 보여주었다. 이들 EPS 중 만노스 함량이 가장 높고 포도당 함량이 가장 낮은 L. delbrueckii ssp. bulgaricus B3의 EPS가 가장 높은 세포사멸 유도 효과를 나타냈다.

미생물 EPS의 항암 활성은 Caco-2 및 CT26과 같은 다른 대장암 세포주에서도 보고되었다. 예를 들어, Lactobacillus fermentum YL-11 EPS는 HT-29 및 Caco-2 대장암 세포의 증식을 억제하였다(Wei et al. 2019). El-Debb 등(2018)은 L. acidophilus 20,079가 생성한 HePS가 세포사멸 및 NF-κB 염증 경로를 통해 Caco-2 억제 활성을 나타낸다고 보고했다. 또한 Lactobacillus acidophilus 20,079 유래 EPS는 CaCo-2 세포주의 증식을 억제했다(El-Deeb 등 2018).

Zhou et al. (2017)은 Lactobacillus plantarum NCU116 유래 EPS가 세포 사멸 유도를 통해 CT26 세포주(쥐 대장암 세포주)의 증식과 생존을 억제하는 활성을 입증하였다.

미생물 EPS의 다른 암세포에 대한 억제 활성도 보고되었다. 예를 들어, L. plantarum 및 L. helveticus EPS는 각각 유방암 및 위암 세포주를 억제하였습니다(Ismail and Nampoothiri 2013; Li et al. 2014). Pediococcus pentosaceus M41 EPS는 Caco-2 및 MCF-7 세포에 대해 억제 활성을 나타냈습니다 (Ayyash et al. 2020c). Lactococcus lactis subsp. lactis EPS는 대조군 세포에 비해 MCF-7 세포에서 염증성 사이토카인 생산에 영향을 미치고 TNF-α 및 유도성 산화질소(NO) 합성효소 방출을 상당히 증가시키는 것으로 밝혀졌다(Wu et al. 2016).

미생물 EPS는 또한 자연살해세포의 종양살상활성, T림프구 증식, 단핵구 세포의 식균능과 같은 세포매개 면역 반응을 자극함으로써 항암 활성을 발휘할 수 있다. 이와 관련하여, L. lactis subsp. lactis EPS는 세포 내 칼슘 수준과 염증성 사이토카인 생성을 증가시키고 핵 응축 및 세포 수축과 함께 MCF17 세포의 세포 사멸을 유도한 것으로 보고되었습니다 (Wu et al. 2016).

Lactobacillus plantarum RJF4 EPS는 MiaPaCa2-췌장암 세포주에 대해 억제 활성을 나타냈다. 그 항증식 활성은 항산화 활성(Dilna et al. 2015; Chen et al. 2015)에 기인할 수 있으며, Pseudoaltermonas sp. S-5 EPS가 인간 백혈병 K562 세포의 증식을 억제함을 입증하였다.

Sungur 등은 자궁경부암 세포 증식에 대한 L. gasseri 균주 유래 EPS의 억제 효과를 보고하였다. 이들 EPS는 Hela 세포에서 세포사멸을 유도하고 Bax 및 Caspase-3 발현을 상향 조절하였다(Sungur et al. 2017)..

Bacillus mycoides BS4의 EPS는 인간 간세포암 및 대장 선암 세포에 대해 항종양 활성을 나타냈다. 이 미생물 EPS는 정상 세포인 아기 햄스터 신장에 대해 낮은 세포 독성을 보였다(Farag et al. 2020). 따라서 미생물 EPS는 현재의 화학 약물보다 부작용이 적은 항종양 약물 개발을 위한 유망한 천연 고분자로 간주될 수 있다.

Antioxidant activities

Microbial exopolysaccharides have displayed significant antioxidative activities (Table 3). Their subunits, monosaccharides, are considered reducing sugars because they possess aldoses and ketoses or they can interconvert into either form. The antioxidant potential of microbial EPS can be related to their various functional groups, including hydroxyl, carboxyl, sulfate, sulfhydryl, acetyl, carbonyl, sulfhydryl, thioether and amide groups. These functional groups donate electron pairs, lose a proton, or facilitate the metal binding process (Fig. 3). Subsequently, convert free radicals to stable substances. For instance, the phenomenal scavenging ability of chitosan is due to its hydroxyl and amino groups. Also, it has been stated that negatively charged functional groups by generating an acidic environment could facilitate EPS hydrolysis. Therefore, more exposed hemiacetal hydroxyl groups enhance antioxidant activity (Andrew and Jayaraman 2020; Lin and Huang 2022; Li and Huang 2022; Zhou et al. 2022).

항산화 활성

미생물 외부 다당류는

상당한 항산화 활성을 나타냈다(표 3).

이들의 하위 단위인 단당류는

알도스와 케토스를 보유하거나 서로 변환될 수 있기 때문에

환원당으로 간주된다.

미생물 EPS의 항산화 잠재력은

하이드록실, 카르복실, 설페이트, 설프하이드릴, 아세틸, 카르보닐,

설프하이드릴, 티오에테르 및 아미드 그룹을 포함한

다양한 기능기와 관련될 수 있다.

hydroxyl, carboxyl, sulfate, sulfhydryl, acetyl, carbonyl,

sulfhydryl, thioether and amide groups. 

이러한 기능기는

전자쌍을 기증하거나, 양성자를 잃거나, 금속 결합 과정을 촉진한다(그림 3).

그 결과

자유 라디칼을 안정된 물질로 전환시킨다.

예를 들어,

키토산의 탁월한 소거 능력은

하이드록실 및 아미노기에 기인한다.

또한 음전하를 띤 기능기가 산성 환경을 생성함으로써

EPS 가수분해를 촉진할 수 있다고 보고되었다.

따라서

더 많이 노출된 헤미아세탈 하이드록실기는

항산화 활성을 강화한다

(Andrew and Jayaraman 2020; Lin and Huang 2022; Li and Huang 2022; Zhou et al. 2022).

Table 3.

Antioxidant activities of microbial EPSs

EPS producing strainMonosaccharide constituent/ Functional groupsMWConcentrationReferences

Bacillus coagulans RK-02	Glc, Man, Gal, glucosamine, and Fruc CH, OH, CO	30KDa	50–500 µg/ml	Kodali et al. (2011; Kodali and Sen (2008)
Weissella cibaria GA44	Glc and Rha OH, CH, CO, COOH	280KDa	0.5–4 mg/ml	Adesulu-Dahunsi et al. (2018)
Lactobacillus plantarum C88	Gal and Glc OH, CH, RCOOR’, C–OH, C–O–C	1150KDa	0.5–4 mg/ml	Zhang et al. (2013)
Lactobacillusplantarum YML009	NR/NR	NR	5–40 mg/ml	Seo et al. (2015)
Lactobacillus gasseri FR4	Man, Gal, Rha Fruc OH, CH2, NH, COO−, C–O, C–O–C	186 KDa	4 mg/ml	Rani et al. (2018)
Weissella cibaria SJ14 [EPS-1 and EPS-3]	Man, Glc, Gal, Ara, Xyl, and Rha. Gal, Man, Glc, and Ara OH, CH, COOH, CO	7.12 × 104 Da 3.01 × 104 Da	0.1–8 mg/ml	Zhu et al. (2018)
Lactobacillus plantarum BR2	Glc and Man OH, CH,CO	2380 kDa	2–10 mg/mL	Sasikumar et al. (2017)
Lactobacillus paracasei ssp. paracasei NTU 101 and Lp Lactobacillus plantarum 102	Ara, Glc, Man, Fruc, Mal NR	NR	10 mg/ml	Liu et al. (2011b)
Lactobacillus helveticus MB2-1 EPS-1, EPS-2 and EPS-3	Gal, Glc and Man OH, CH,CO, NH	2 × 105 Da	0.125–4 mg/mL	Li et al. (2014)
Lactobacillus plantarum YW11	Glc and Gal OH, CH, CO, NH, C–O–C	1.1 × 105 Da	a high dose of EPS (50 mg/kg per day)	Wang et al. (2015a)
Lactobacillus plantarum RJF4	Glc and Man OH, CH, CO	NR	2–10 mg/mL	Dilna et al. (2015)
Lactobacillus plantarum SKT109	NR/NR	NR	5 mg/ml	Wang et al. (2018a)
Pediococcus acidilactici NCDC 252	Glc OH, CO, CH, COOH	89.1 KDa	0.1–2 mg/mL	Kumar et al. (2020)
Lactobacillus sanfranciscensis	Glc OH, CH, CO, R-CH2–CH3	NR	0.1–1 mg/ml	Zhang et al. (2019)
Lactobacillus plantarum YW32	Man, Fruc, Gal and Glc OH, CH2, NH, COO−, CO, C–O–C,	1.03 × 105 Da	5 mg/ml	Wang et al. (2015b)
Bifidobacterium animalis RH	Rha, Ara, Gal, Glc, and Man OH, CH, COOH,	21.3 kDa	NR	Shang et al. (2013); Xu et al. (2011)
Lactobacillus plantarum NTMI05 and NTMI20 strains	Gal OH, C-C, CO	NR	100–500 µg/mL	Imran et al. (2016)
Leuconostoc pseudomesenteroides JF17	Glc OH, CH, C–O–C, CO	NR	0.2–5 mg/mL	Farinazzo et al. (2020)
Bacillus anthracis	Glc NH, CH, C–C, C–N, CO, C–O–C	1103 Da	0.2–5 mg/mL	Banerjee et al. (2018)
Lactobacillus fermentum S1 [EPS2 and EPS3]	Glc, Gal, Man and Ara OH, CH, CO, S=O,	4.45 × 106 Da 2.82 × 106 Da	0–4 mg/ml	Wang et al. (2020b)
Pseudomonas sp. RD2SR3	Glc, Man, Gal and glucouronic acid OH, CH, CO, S=O, C–O–S, C–O–C, C–N	3.75 × 104 g/mole	25–200 µg/mL	Mahmoud et al. (2016)
Lactococcus pseudomesenteroides DRP-5	Glc OH, CO, C–O–C	6.23 × 106 Da	0–7 mg/ml	Du et al. (2018)
Lactobacillus kimchi SR8	NR/NR	NR	1–8 mg/ml	Zhang et al. (2021b)
L. plantarum 70,810 r-EPS1 and r-EPS2	Man, Glc, and Gal OH, CH, CO,	204.6 and 202.8 kDa	0.125–4 mg/ml	Wang et al. (2014b)
Halolactibacillus miurensis	Gal and Glc PH, COOH, C–N, NH	NR	0.2–3 mg/ml	Arun et al. (2017)
Lactobacillus plantarum KX041	Ara, Man, Glc and Gal OH, CH, C–O,C=O, COOH, NH	38.67 KDa	0.2–5.6 mg/ml	Wang et al. (2017)

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NR Not reported

Fig. 3.

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Impactful physicochemical properties of microbial EPSs on their bioactivities

In this regard, chemical modification of the naturally occurring EPSs can be a promising and easy approach to make them more potent antioxidants. Phosphorylation, selenylation, carboxymethylation, sulfation, and acetylation are some of the possible and influential chemical modifications on microbial EPSs. In addition to functional groups, the monosaccharide constituent also affects antioxidant activities of EPSs. It has been observed that EPSs containing neutral monosaccharides like d-galactose, fucose, arabinose, mannose, glucose, and glucuronic acid showed more the antioxidant activities (Andrew and Jayaraman 2020).

미생물 EPS의 생물학적 활성에 미치는 물리화학적 특성

이러한 점에서, 자연 발생 EPS의 화학적 변형은

이를 더 강력한 항산화제로 만드는

유망하고 쉬운 접근법이 될 수 있습니다.

인산화,

셀레닐화,

카르복시메틸화,

황산화 및 아세틸화는

미생물 EPS에 가능한 영향력 있는 화학적 변형 중 일부입니다.

Phosphorylation,

selenylation,

carboxymethylation,

sulfation, and

acetylation

기능성 그룹 외에도 단당류 구성 성분 역시

EPS의 항산화 활성에 영향을 미친다.

d-갈락토오스, 푸코오스, 아라비노오스, 만노오스, 글루코오스, 글루쿠론산과 같은

중성 단당류를 함유한 EPS가 더 높은 항산화 활성을 보인다는

사실이 관찰되었다(Andrew and Jayaraman 2020).

Immunomodulatory activities

Microbial EPSs can regulate the actions of innate and adaptive immunity, though acting as immunomodulatory agents (Tables 4 and 5). They interact with dendritic cells and macrophages, stimulate the proliferation of T/B lymphocytes and natural killer cells, improve antibody production, enhance cell tumoricidal activity, and mononuclear cell phagocytic capacity, increase the function of chemokines as well as affect the production of pro-inflammatory (IL-6, IL-12, TNF-α, and NO) and anti-inflammatory cytokines (IL-4 and IL-10) (Fig. 5) (Li and Shah 2016; Rajoka et al. 2020).

면역조절 활성

미생물 EPS는

면역조절제로 작용하여

선천적 및 후천적 면역 반응을 조절할 수 있습니다(표 4 및 5).

이들은 수지상 세포 및 대식세포와 상호작용하고,

T/B 림프구 및 자연살해세포의 증식을 자극하며,

항체 생산을 개선하고,

세포의 종양살상활성 및 단핵구 세포의 식균능을 강화하며,

케모카인의 기능을 증가시키고,

염증유발성 사이토카인(IL-6, IL-12, TNF-α 및 NO)의 생산에 영향을 미치며

항염증성 사이토카인(IL-4 및 IL-10)의 생산에도 영향을 미칩니다(그림 5)(Li and Shah 2016; Rajoka 2016).

(IL-6, IL-12, TNF-α 및 NO) 및 항염증성 사이토카인(IL-4 및 IL-10)의 생산에

영향을 미칠 수 있습니다(그림 5)(Li and Shah 2016; Rajoka et al. 2020).

Table 4.

Immunostimulating activities of microbial EPSs

EPS-producing strainMW/HoPS or HePSModelImmunomodulatory effectReferences

Lactobacillus helveticus LZ-R-5	NR/HePS	RAW264.7 cells	Enhanced RAW264.7 cell line proliferation, their phagocytosis ability, acid phosphatase activity, production of nitric oxide (NO), and cytokine.	You et al. (2020)
Lactococcus lactis subsp. Lactis	NR/NR	Peritoneal macrophages and spleen lymphocytes	Enhanced proliferation of mouse spleen lymphocytes, phagocytosis, and production of NO, IFN-γ, IL-1, IL-6, and IL-12.	Pan et al. (2015)
Streptococcus thermophilus AR333	313.7 kDa/HePS	RAW 264.7 cell line	Promoted the NO production in macrophages RAW 264.7	Zhang et al. (2018)
Pediococcus pentosaceus KFT18	> 2560 KDa/HePS	IFN-c-primed RAW 264.7 macrophages and CD3/CD28-stimulated splenocytes	Stimulated synthesis of NO and TNF-α, IL-6 and IL-1β. Enhanced the splenocytes proliferation and IL-2 production.	(Shin et al. 2016)
Lactobacillus plantarum JLK0142	1.34 × 105 Da/HePS	RAW 264.7 macrophage cells and cyclophosphamide-induced immunosuppression mice	Improved lymphocyte proliferation, phagocytic activity and secretion of NO, sIgA, IL-2 and TNF-α.	Wang et al. (2018b)
Weissella confuse	NR/HePS	Treated female Swiss albino mice	Induced production of IgM and IgG.	Adebayo-Tayo et al. (2018)
Lactobacillus casei	NR/NR	Unstimulated or LPS-induced RAW 264.7 cells	Promoted the production of TNF-α in unstimulated RAW 264.7 cells as well as reduced levels of NO and iNOS in LPS-induced RAW 264.7 cells.	Xu et al. (2022a)
Lactococcus lactis ssp. cremoris	NR/NR	Mouse spleen macrophage cells	Stimulated the IFN-γ and IL-1α production.	Kitazawa et al. (1996)
Lactobacillus kefiranofaciens	NR/HePS	BALB/c mice	Increased IgA + cells in the small and large intestine lamina propria.	Vinderola et al. (2006)
Bacteroides fragilis	NR/NR	Infection model with Helicobacter hepaticus	Inhibited IL-17 production, and induced IL-10 production. So, protected animals from colitis induced by Helicobacter hepaticus.	Mazmanian et al. (2008)
Bifidobacterium breve UCC2003	NR/NR	Infection model with Citrobacter rodentium	Diminished pathogen colonization, enhanced level of IL-12 and antibody-producing cells.	Fanning et al. (2012)
L. plantarum NTU 101 and 102	NR/HePS	RAW264.7 macrophages	Stimulated production of TNF-α, IL-1β, and IL-6.	Liu et al. (2011b)
Lactobacillus plantarum RS20D	1.69 × 106 Da/HePS	RAW264.7 macrophages	Stimulated the NO secretion and enhanced the expression‎ of proinflammatory cytokine genes.	Zhu et al. (2019)
Lactobacillus plantarum JLAU103	12.4 KDa/HePO	RAW264.7 macrophages	Enhanced the production of Ig- A, IL-6, TNF-α, and NO.	Wang et al. (2020a)
Lactobacillus helveticus sp. Rosyjski and Lactobacillus acidophilus 5E2	NR/HePS	HT29-19 A intestinal epithelial cell line	Enhanced production of pro-inflammatory cytokines, like interleukin-8 and toll-like receptors.	Patten et al. (2014)
L. rhamnosus KL37	NR/NR	Peritoneal mouse macrophages	Induced the synthesis of pro-inflammatory cytokines, and anti-inflammatory cytokines.	Ciszek-Lenda et al. (2011)
Lactobacillus delbrueckii spp. bulgaricus OLL1073R1 (Acidic EPS with high molecular weight )	2.9 × 106 Da/HePS	Pathogen-free C3H/HeJ and BALB/c male mice	Stimulated mouse splenocytes to produce INF-γ, and augmenting natural killer cell activity.	Makino et al. (2006)
Lactobacillus fermentum Lf2	1.23 × 106 Da/HoPS	Peripheral blood mononuclear cells	Enhanced cell proliferation and TNF-α production.	Vitlic et al. (2019)
Leuconostoc mesenteroides strain NTM048	NR/HoPS	Ovalbumin-treated Wistar male mice	Enhanced mucosal IgA production	Matsuzaki et al. (2017)
Lactobacillus reuteri strain 100−23	NR/HoPS	Lactobacillus-free mice	Enhanced proportions of regulatory T-cells marked by expression‎ of the transcription factor Foxp3, and mitigated proinflammatory T-cell responses in the spleen	Sims et al. (2011)

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NR Not reported

Table 5.

Immunosuppressing activities of microbial EPSs

EPS-producing strainMW (Da)/HoPS or HePSModelImmunomodulatory effectReferences

Bifidobacterium animalis subsp. lactis IPLA R1	3.5 × 106/HePS	Oral administration of LAB to male Wistar rats fed with a standard diet	Suppressed the pro-inflammatory cytokine IL-6 and induced the production of the regulatory cytokine TGF-β.	Leivers et al. (2011; Salazar et al. (2014)
Leuconostoc citreum L3C1E7	5·88 × 106/HoPS	LPS-stimulated HT-29 cells and a rat-induced allergic asthma model using ovalbumin	Reduced allergic responses and declined synthesis of allergen-specific IgE.	Domingos-Lopes et al. (2017)
Leuconostoc mesenteroides S81	NR/HoP	HT-29 cell line	Induced the antiinflammatory cytokine IL-4.	Taylan et al. (2019)
Streptococcus thermophilus ASCC 1275	NR/HePS	LPS stimulated RAW 264.7 macrophages	Decrease the pro-/anti-inflammatory cytokines, including IL-1β/IL-10, IL-6/IL-10, and TNF-α/IL-10 production	Li and Shah (2016)
Pediococcus parvulus 2.6	β-glucan/HoPS	Human PMA-differentiated THP-1 cells and M1 pro-inflammatory monocyte-derived macrophages	Augmented the production of IL-10 by PMA-THP-1 cells	Notararigo et al. (2014)
L.rhamnosus RW-9595 M	5.261 × 105/HePS	Macrophages and splenic lymphocytes of mice	Enhanced IL-10 synthesis.	Bleau et al. (2010)
Lactobacillus. paraplantarum BGCG11	NR/HePS	A mouse peritonitis model induced by carrageenan	Reduced production of pro-inflammatory mediators like IL-1β, TNF-α and iNOS and increased production of anti-inflammatory IL-10 and IL-6 cytokines.	Dinić et al. (2018)

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NR Not reported

Fig. 5.

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Immunomodulatory activities of microbial EPSs

It has been reported that acidic HePSs containing phosphate in their composition exert a pro-inflammatory effect and induce the immune response. According to the studies, the presence of the phosphate group and its subsequent chemical de-phosphorylation actives immune system through eliciting different immune cells like macrophages and lymphocytes (Saadat et al. 2019). The phosphate-containing dextran from Lactobacillus mesenteroides improve host immunity more compared to native dextran (Sato et al. 2004).

Immunomodulator activities of microbial EPSs may be interconnected to gut microbiota. Most EPSs can enhance the diversity and balance of microorganisms in the gut by promoting the growth of the intestinal microbiota. Several EPSs-derived from lactic acid bacteria (LAB), such as Lactobacillus plantarum, Pediococcus pentosaceus, Weissella cibaria, and Weissella confusa showed prebiotic characteristics and could encourage the growth of a probiotic strain, Bifidobacterium bifidum DSM 20,456, in vitro. Moreover, LAB derived EPSs can attach to intestinal epithelial cells, thereby hinder pathogen adhesion or stimulate immune cells (Chaisuwan et al. 2020).

The structures and the physicochemical characteristics of microbial EPSs play a pivotal role in their immunomodulatory potential. These properties include monosaccharide composition, molecular weight, electric charges, functional groups, linkage patterns, water solubility, and microstructures It has been reported that negatively charged EPS and/or small-size molecules have stimulating activities, while neutral and large EPS act as a suppressor (Fig. 3) (Werning et al. 2022; Ji et al. 2021).

미생물 EPS의 면역조절 활성

구성에 인산염을 포함하는 산성 HePS는

염증 촉진 효과를 발휘하고

면역 반응을 유도하는 것으로 보고되었습니다.

연구에 따르면,

인산염기의 존재와 그 후속적인 화학적 탈인산화는

대식세포 및 림프구와 같은 다양한 면역 세포를 유발하여 면역 체계를 활성화합니다 (Saadat et al. 2019).

Lactobacillus mesenteroides에서 추출한 인산염 함유 덱스트란은

천연 덱스트란에 비해 숙주 면역력을 더 향상시킵니다 (Sato et al. 2004).

미생물 EPS의 면역조절 활성은

장내 미생물군과 상호연관될 수 있다.

대부분의 EPS는

장내 미생물군 증식을 촉진하여 장내 미생물의 다양성과 균형을 향상시킬 수 있다.

Lactobacillus plantarum, Pediococcus pentosaceus, Weissella cibaria 및 Weissella confusa와 같은

유산균(LAB)에서 유래한 여러 EPS는

프리바이오틱 특성을 보였으며,

시험관 내에서 프로바이오틱 균주인 Bifidobacterium bifidum DSM 20,456의 성장을 촉진할 수 있었습니다.

또한, LAB 유래 EPS는

장 상피 세포에 부착하여 병원체의 접착을 방해하거나

면역 세포를 자극할 수 있습니다 (Chaisuwan et al. 2020).

미생물 EPS의 구조와 물리화학적 특성은

면역 조절 잠재력에 중요한 역할을 합니다.

이러한 특성에는

단당류 조성, 분자량, 전하, 기능성 그룹, 결합 패턴, 수용성 및 미세구조가 포함됩니다.

음전하를 띤 EPS 및/또는 소분자 크기의 분자는 자극 활성을 보이는 반면,

중성 및 대분자 EPS는 억제제로 작용하는 것으로 보고되었습니다(그림 3) (Werning et al. 2022; Ji et al. 2021).

Antiulcer activities

Helicobacter pylori infection and the usage of non-steroidal anti-inflammatory drugs are the major causes of peptic ulcers. The beneficial effect of some bacterial EPSs has been described in this context (Saadat et al. 2019; Nagaoka et al. 1994), reported that the oral feeding of isolated EPSs from Bifidobacterium breve YIT4014 and 4043, and B. bifidum YIT4007 exhibited antiulcer activity in rat models. The intragastric administration of purified EPS obtained from Streptococcus thermophiles CRL 1190 dissolved in reconstituted skim milk had an antiulcer effect in gastritis-induced mice. Whereas the suspension of the EPS in water did not show a protective effect, it assumes that the interaction of EPS and milk protein provides this gastroprotective effect (Rodríguez et al. 2009).

항궤양 활성

헬리코박터 파일로리 감염과 비스테로이드성 항염증제 사용은

위궤양의 주요 원인이다.

일부 세균성 EPS의 유익한 효과가 이 맥락에서 기술되었다(Saadat et al. 2019; Nagaoka et al. 1994)에 따르면, Bifidobacterium breve YIT4014 및 4043, 그리고 B. bifidum YIT4007에서 분리된 EPS를 경구 투여했을 때 쥐 모델에서 항궤양 활성을 나타냈다. Streptococcus thermophiles CRL 1190에서 추출한 정제된 EPS를 재구성 탈지유에 용해하여 위내 투여했을 때, 위염 유발 마우스에서 항궤양 효과를 나타냈다. 반면 물에 현탁된 EPS는 보호 효과를 보이지 않았으며, 이는 EPS와 우유 단백질의 상호작용이 이러한 위보호 효과를 제공한다고 추정된다(Rodríguez et al. 2009).

Other biomedical activities

In addition to the mentioned bioactivities of microbial EPSs, some other applications have been described for them. Antidiabetic property is one of the microbial EPS activities, which is measured by the inhibition of α-amylase and α-glucosidase. This inhibitory activity by the prevention of carbohydrate hydrolysis is helpful to diabetics. The extracted EPS from Enterococcus faecium MS79 showed 91 and 92% inhibitory activities against α-amylase and α-glucosidase, respectively (Ayyash et al. 2020d). EPS produced by several marine cyanobacteria with the potential to inhibit α-glucosidase showed antidiabetic activity. The isolated EPS from Pseudanabaena sp. and Chroococcus sp. inhibited α-glucosidase activity by 14.02 and 13.00%, respectively (Priatni et al. 2016). The α-amylase/α-glucosidase inhibitory mechanism of EPS is not clear. It seems that EPS by attaching to the active site of enzymes or substrates blocks hydrolysis (Ayyash et al. 2020d). The oral administration of purified EPS from Sorangium cellulosum NUST06 significantly reduced blood glucose levels in healthy and diabetic mice. Although the mechanism of action of EPS is not obvious, it is assumed that EPS by the activation of insulin receptors and enhancement of glucose utilization takes part in lowering glucose levels (Ding et al. 2004). Similarly, the administration of levan isolated from Bacillus licheniformis decreased plasma glucose levels by 52% in diabetic rats. The hypoglycaemic role of levan can be related to the stimulation of Langerhans islets, the increase of peripheral sensitivity to remnant insulin, and its antioxidant activity (Dahech et al. 2011; Ghoneim et al. 2016), in an in vivo study found that Bacillus subtilis sp. suppress produced EPS, and had the ability to decrease total cholesterol, low-density lipoprotein, very low-density lipoprotein, and triglycerides. Therefore, this EPS can be reduced the risk of hyperglycemia, dyslipidemia, and cardiovascular disease in diabetic rats. Jin et al. (2012), described that the oral feeding of diabetic mice with selenium-enriched EPS isolated from Enterobacter cloacae Z0206 caused a significant decrease in blood glucose levels, total cholesterol, and triglycerides. EPSs produced by Lactobacillus plantarum GA06 and GA11 had also 36.7% and 28.6% in vitro cholesterol removal efficiency, respectively. It seems that these EPSs had a binding ability to cholesterol (Avci et al. 2020). The EPS of Limosilactobacillus fermentum NCDC400 (EPS400) also showed high cholesterol-lowering activity in in vitro study (90.32%) (Gawande et al. 2021). One of the important properties of EPS produced by Leuconostoc mesenteroides LM187 was its cholesterol-lowering capability with the rate of 53% (Zhang et al. 2021a). The Feeding of mice with EPS-producing Lactobacillus paracasei NFBC 338 and L. mucosae DPC 6426 reduced cholesterol levels in serum and liver (London et al. 2014). Several Lactobacillus species (Uyen et al. 2021)d delbrueckii subsp. bulgaricus B3 (Tok and Aslim 2010) also had cholesterol removal activity.

Sulfated EPS released from Synechocystis aquatilis Sauvageau B90.79 showed anticoagulant and complement-modulating activities (Volk et al. 2006). The EPS produced by Alteromonas infernus after chemical modification of sulfation and depolymerization found anticoagulant activity (Jouault et al. 2001). Lactobacillus plantarum HY7714 produces an EPS with skin anti-aging activity. This EPS by the improvement of cytotoxicity induced by UVB and cellular hydration capacity can repair skin damage (Lee et al. 2021; Shirzad et al. 2018), reported the anti-elastase, anti-collagenase, antioxidant, and wound healing activities of EPSs generated by some Lactobacilli, which are converted into appropriate agents for skin anti-aging.

According to the conducted research, EPSs produced by some marine bacteria through the induction of proliferation and migration in fibroblasts and keratinocytes have wound-healing activity. EPS produced by Alteromonas sp. PRIM-28 (Sahana and Rekha 2019), Polaribacter sp. SM1127 (Sun et al. 2020), Pantoea sp. YU16-S3 (Sahana and Rekha 2020), and Lactiplantibacillus plantarum EI6 (Zaghloul and Ibrahim 2022) are examples of bioactive molecules, which can be used in wound-care products.

기타 생의학적 활성

미생물 EPS의 언급된 생물학적 활성 외에도, 그들에 대한 몇 가지 다른 응용이 기술되어 왔다. 항당뇨병 특성은 미생물 EPS의 활성 중 하나로, α-아밀라아제와 α-글루코시다아제의 억제를 통해 측정된다. 탄수화물 가수분해를 방지하는 이 억제 활성은 당뇨병 환자에게 도움이 됩니다. Enterococcus faecium MS79에서 추출한 EPS는 α-아밀라아제와 α-글루코시다아제에 대해 각각 91% 및 92%의 억제 활성을 나타냈습니다(Ayyash et al. 2020d). α-글루코시다아제 억제 잠재력을 가진 여러 해양 시아노박테리아가 생성한 EPS는 항당뇨병 활성을 보였습니다. Pseudanabaena sp. 및 Chroococcus sp.에서 분리된 EPS는 각각 α-글루코시다아제 활성을 14.02% 및 13.00% 억제하였다(Priatni et al. 2016). EPS의 α-아밀라아제/α-글루코시다아제 억제 기전은 명확하지 않다. EPS가 효소 또는 기질의 활성 부위에 부착하여 가수분해를 차단하는 것으로 보인다 (Ayyash et al. 2020d). Sorangium cellulosum NUST06에서 정제된 EPS의 경구 투여는 건강한 생쥐와 당뇨병 생쥐의 혈당 수치를 현저히 감소시켰다. EPS의 작용 기전은 명확하지 않으나, 인슐린 수용체 활성화 및 포도당 이용률 증진을 통해 혈당 강하에 기여하는 것으로 추정된다(Ding et al. 2004). 마찬가지로, Bacillus licheniformis에서 분리된 레반(levan) 투여는 당뇨병 쥐의 혈장 포도당 수치를 52% 감소시켰다. 레반의 저혈당 효과는 랑게르한스 섬 자극, 잔여 인슐린에 대한 말초 감수성 증가, 그리고 항산화 활성과 관련될 수 있다(Dahech et al. 2011; Ghoneim et al. 2016)에 따르면, 생체 내 연구에서 Bacillus subtilis sp. suppress가 생성한 EPS는 총 콜레스테롤, 저밀도 지단백, 초저밀도 지단백 및 중성지방을 감소시키는 능력을 가졌습니다. 따라서 이 EPS는 당뇨병 쥐에서 고혈당증, 이상지질혈증 및 심혈관 질환의 위험을 감소시킬 수 있습니다. Jin et al. (2012)은 Enterobacter cloacae Z0206에서 분리된 셀레늄 강화 EPS를 당뇨병 마우스에 경구 투여했을 때 혈당 수치, 총 콜레스테롤 및 중성지방이 유의하게 감소했다고 기술했다. Lactobacillus plantarum GA06 및 GA11이 생성한 EPS는 각각 체외에서 36.7% 및 28.6%의 콜레스테롤 제거 효율을 보였다. 이러한 EPS들은 콜레스테롤에 대한 결합 능력을 가진 것으로 보인다 (Avci et al. 2020). Limosilactobacillus fermentum NCDC400의 EPS(EPS400) 역시 체외 연구에서 높은 콜레스테롤 저하 활성(90.32%)을 나타냈다(Gawande et al. 2021). Leuconostoc mesenteroides LM187이 생성한 EPS의 중요한 특성 중 하나는 53%의 콜레스테롤 저하 능력이었다(Zhang et al. 2021a). EPS 생성 Lactobacillus paracasei NFBC 338 및 L. mucosae DPC 6426을 마우스에 급여했을 때 혈청 및 간 내 콜레스테롤 수치가 감소하였다 (London et al. 2014). 여러 Lactobacillus 종(Uyen et al. 2021)과 delbrueckii subsp. bulgaricus B3(Tok and Aslim 2010) 역시 콜레스테롤 제거 활성을 나타냈다.

Synechocystis aquatilis Sauvageau B90.79에서 방출된 황산화 다당체(EPS)는 항응고 및 보체 조절 활성을 나타냈다(Volk et al. 2006). 황산화 및 탈중합 화학적 변형을 거친 Alteromonas infernus가 생성한 EPS는 항응고 활성을 보였다(Jouault et al. 2001). Lactobacillus plantarum HY7714는 피부 노화 방지 활성을 지닌 EPS를 생산한다. 이 EPS는 자외선 B(UVB)에 의한 세포 독성 개선 및 세포 수분 공급 능력 향상을 통해 피부 손상을 복구할 수 있다(Lee et al. 2021; Shirzad et al. 2018), 일부 Lactobacilli가 생성한 EPS의 항엘라스테이스, 항콜라게나제, 항산화 및 상처 치유 활성을 보고하였으며, 이는 피부 노화 방지를 위한 적절한 활성제로 전환됩니다.

실시된 연구에 따르면, 일부 해양 박테리아가 섬유아세포 및 각질세포에서 증식과 이동을 유도하여 생성한 EPS는 상처 치유 활성을 가진다. Alteromonas sp. PRIM-28 (Sahana and Rekha 2019), Polaribacter sp. SM1127 (Sun et al. 2020), Pantoea sp. YU16-S3 (Sahana and Rekha 2020), Lactiplantibacillus plantarum EI6 (Zaghloul and Ibrahim 2022)에 의해 생성된 EPS는 상처 치료 제품에 사용될 수 있는 생리활성 분자의 예입니다.

Improving the production and properties of microbial EPS by genetic engineering

Bacterial species generally produce EPS through four well-known mechanisms: the Wzx/Wzy- dependent pathway, the ATP-binding cassette (ABC) transporter-dependent pathway, the synthase-dependent pathway, and the extracellular synthesis by use of a single sucrase protein (Rana and Upadhyay 2020; Schmid et al. 2015). In each of these pathways, several enzyme-encoding genes take part in EPS biosynthesis. These genes usually cluster within bacterial genomes or plasmids (Schmid et al. 2015; Sun and Zhang 2021). Moreover, some housekeeping genes, which have a role in the formation of sugar nucleotides are important for EPS biosynthesis (Bajpai et al. 2016). By improving our knowledge about these genes and their regulations, the yield and properties of EPS can be altered through genetic engineering methods. Transposon engineering, degenerate PCR, gene knockout, gene overexpression‎, and gene editing by the CRISPR system can be used for generating modified EPS with new biological activities (Sun and Zhang 2021). Some successful research in which EPS production or its properties improved is briefly describes as follows. The yield of EPS in Streptococcus thermophiles enhanced from 0.17 to 0.31 g/mol when galU (UDP-glucose pyrophosphorylase) and pgmA (phosphoglucomutase) overexpressed simultaneously (Levander et al. 2002). By the overexpression‎ of the nox gene in recombinant Lactobacillus casei LC-nox, the yield of EPS by 75% rising reached 263.7 mg/L in aerobic culture condition. nox encodes NADH oxidase which is related to energy metabolism and redox status (Li et al. 2015; Song et al. 2018), found that by the overexpression‎ of LC2W_2179, LC2W_2188, and LC2W_2189 in L. casei LC2W the EPS production increased 16, 10, and 18% compared to the wild-type strain. The first gene encodes Glucose-1-phosphate thymidyltransferase and two other ones produce EPS synthesis proteins. Díaz-Barrera et al. (2012), reported the relation between alg8 (encoding the catalytic subunit of alginate polymerase) expression‎ and alginate polymerization in Azotobacter vinelandii. Higher alg8 expression‎ generates higher molecular weight alginate. The mutant strain of A. vinelandii (ATCN4) with inactive nqrE gene produced alginate with higher yield and improved rheological properties. The product of nqrE is a subunit of Na+-translocating NADH:ubiquinone oxidoreductase complex (Gayta´n et al. 2012). In another study, by the coexpression‎ of gumB and gumC (genes involved in xanthan biosynthesis) in Xanthomonas campestris the viscosity of xanthan was increased. It seems that GumB and GumC control xanthan chain length (Galván et al. 2013). Hassler et al. (1990), also found that mutant strains of X. campestris produced xanthan with various viscosity due to the variable acetylation and pyruvylation levels, and the presence of different sugar residues at terminal side chains.

유전자 공학을 통한 미생물 EPS 생산 및 특성 개선

박테리아 종은 일반적으로 네 가지 잘 알려진 메커니즘을 통해 EPS를 생산합니다: Wzx/Wzy 의존 경로, ATP 결합 캐스킷(ABC) 수송체 의존 경로, 합성효소 의존 경로, 그리고 단일 수크라아제 단백질을 이용한 세포외 합성(Rana and Upadhyay 2020; Schmid et al. 2015). 이러한 각 경로에서 여러 효소 암호화하는 유전자들이 EPS 생합성에 관여합니다. 이러한 유전자들은 일반적으로 박테리아 게놈이나 플라스미드 내에 군집을 이룹니다(Schmid et al. 2015; Sun and Zhang 2021). 또한, 당 뉴클레오티드 형성에 역할을 하는 일부 하우스키핑 유전자들도 EPS 생합성에 중요합니다 (Bajpai et al. 2016). 이러한 유전자와 그 조절 기전에 대한 이해를 높임으로써, 유전자 공학 기법을 통해 EPS의 수율과 특성을 변경할 수 있습니다. 트랜스포존 공학, 퇴화 PCR, 유전자 녹아웃, 유전자 과발현, CRISPR 시스템을 이용한 유전자 편집을 활용하여 새로운 생물학적 활성을 지닌 변형된 EPS를 생성할 수 있습니다(Sun and Zhang 2021). EPS 생산량 또는 특성이 개선된 몇 가지 성공적인 연구를 간략히 소개한다. Streptococcus thermophiles에서 galU(UDP-글루코스 피로포스포릴라제)와 pgmA(포스포글루코뮤타제)를 동시에 과발현했을 때 EPS 수율이 0.17 g/mol에서 0.31 g/mol로 증가하였다 (Levander et al. 2002). 재조합 Lactobacillus casei LC-nox에서 nox 유전자의 과발현을 통해 호기성 배양 조건에서 EPS 생산량이 75% 증가하여 263.7 mg/L에 도달하였다. nox는 에너지 대사와 산화환원 상태와 관련된 NADH 산화효소를 암호화한다(Li et al. 2015; Song et al. 2018)에 따르면, L. casei LC2W에서 LC2W_2179, LC2W_2188 및 LC2W_2189를 과발현함으로써 야생형 균주 대비 각각 16%, 10%, 18%의 EPS 생산 증가를 확인하였다. 첫 번째 유전자는 글루코스-1-포스페이트 티미딜트랜스퍼라제를 암호화하며, 나머지 두 유전자는 EPS 합성 단백질을 생성한다. Díaz-Barrera 등(2012)은 Azotobacter vinelandii에서 alg8(알지네이트 중합효소의 촉매 서브유닛을 암호화) 발현과 알지네이트 중합 사이의 관계를 보고했다. alg8 발현이 높을수록 더 높은 분자량의 알지네이트가 생성된다. nqrE 유전자가 비활성화된 A. vinelandii 돌연변이 균주(ATCN4)는 더 높은 수율과 개선된 유변학적 특성을 지닌 알지네이트를 생산했다. nqrE의 산물은 Na+-전달 NADH:유비퀴논 산화환원효소 복합체의 서브유닛이다 (Gayta´n et al. 2012). 다른 연구에서는 Xanthomonas campestris에서 gumB 및 gumC(잔탄 생합성에 관여하는 유전자)의 공동 발현을 통해 잔탄의 점도가 증가하였다. GumB와 GumC는 잔탄 사슬 길이를 조절하는 것으로 보인다(Galván et al. 2013). Hassler et al. (1990) 또한 X. campestris의 돌연변이 균주가 다양한 아세틸화 및 피루브일화 수준과 말단 측쇄에 존재하는 서로 다른 당 잔기 때문에 다양한 점도의 잔탄을 생산한다는 사실을 발견했다.

Conclusion

Microbial EPSs display great diversity. They are multifunctional carbohydrates with considerable health-improving potential. Recent investigations have revealed the great health improving properties of microbial EPS in industries that may be related to their novel and distinct properties compared to polysaccharides obtained from other natural sources. Now, a large proportion of commercially-available EPSs are derived from microorganisms. The main benefit of microbial EPSs is the adjustable chemical composition and structure, which demonstrates their specific usage in pharmaceutical and medical fields. This review points that microbial EPSs can be considered promising alternatives to chemicals likes chemical antibiotics, antioxidants, anticancer, antiviral and antifungal drugs. Microbial EPSs are nontoxic, biocompatible, thermally stable and biodegradable molecules. By applying antibacterial or antifungal EPSs, the antagonistic activity of normal flora against pathogens which is likely to be lost in antibiotic treatment is maintained. Also, microbial EPSs owning to reduced adverse effects, and immune-stimulating activities may be considered safe alternatives to synthetic anticancer drugs. Moreover, EPSs are considered promising green substitutes for synthetic antioxidants because they participate in the removal of oxidative stress through scavenging various free radicals, suppression of lipid peroxidation, reducing metal ion chelating activity, and promoting enzymatic and nonenzymatic antioxidant activities. As it was presented physicochemical characteristics of EPSs, including molecular weight, branching degree, monosaccharide composition, glycosidic bonds, electric charge, and functional groups influence on their functional behavior.

The study of structure-function relationship could result in smart chemical modification of discovered EPSs to have improved bioactivities or targeted screening and isolation of the microbial EPSs with desired bioactivity in the near future.

Therefore, finding microbial EPSs with suitable chemical architecture through screening studies from unexplored ecosystems, imposing chemical modifications or genetic and metabolic engineering could facilitate obtaining a bioactive polymer to be applied in cosmetics, medical, food products, textiles, pharmaceutical, agricultural and other types of industrial sectors. This study reviewed the studies conducted on microbial EPSs along with their microbial sources, physicochemical properties with particular attention to bioactivities, and their mode actions to provide a platform for researchers to identify the relationship of structure properties to bioactivities.

However, there are contradictions about the effects of these properties on various EPS’s bioactivities. This could be related to different in vivo and in vitro models used to eval‎uate biological activities as well as the lack of comprehensive knowledge on all microbial EPS structures. Therefore, more studies should be performed to explore the mechanism behind EPS’s bioactivities.

결론

미생물 EPS는 매우 다양합니다. 이들은 상당한 건강 증진 잠재력을 지닌 다기능 탄수화물입니다. 최근 연구들은 다른 천연 원료에서 얻은 다당류와 비교하여 독특하고 새로운 특성과 관련될 수 있는 산업 분야에서 미생물 EPS의 탁월한 건강 증진 특성을 밝혀냈습니다. 현재 시판되는 EPS의 상당 부분은 미생물에서 유래한다. 미생물 EPS의 주요 장점은 조절 가능한 화학적 구성과 구조로, 이는 제약 및 의료 분야에서 특화된 활용 가능성을 입증한다. 본 고찰은 미생물 EPS가 화학 항생제, 항산화제, 항암제, 항바이러스제 및 항진균제와 같은 화학 물질의 유망한 대체재로 고려될 수 있음을 시사한다. 미생물 EPS는 무독성, 생체 적합성, 열 안정성 및 생분해성 분자이다. 항균성 또는 항진균성 EPS를 적용함으로써 항생제 치료 시 상실되기 쉬운 정상 세균총의 병원체에 대한 항적 활성이 유지된다. 또한 부작용 감소 및 면역 자극 활성을 지닌 미생물 EPS는 합성 항암제의 안전한 대안으로 고려될 수 있다. 더불어 EPS는 다양한 자유 라디칼 소거, 지질 과산화 억제, 금속 이온 킬레이트 활성 감소, 효소적 및 비효소적 항산화 활성 촉진 등을 통해 산화 스트레스 제거에 기여하므로 합성 항산화제의 유망한 친환경 대체제로 간주됩니다. 앞서 제시된 바와 같이, 분자량, 분지도, 단당류 조성, 글리코시드 결합, 전하, 기능기 등 EPS의 물리화학적 특성은 그 기능적 행동에 영향을 미친다.

구조-기능 관계 연구는 향후 발견된 EPS의 생물학적 활성 개선을 위한 지능형 화학적 변형이나 원하는 생물학적 활성을 지닌 미생물 EPS의 표적 선별 및 분리를 가능하게 할 수 있다.

따라서 미개척 생태계에서의 선별 연구를 통해 적합한 화학적 구조를 가진 미생물 EPS를 발견하고, 화학적 변형 또는 유전자 및 대사 공학을 적용함으로써 화장품, 의료, 식품, 섬유, 제약, 농업 및 기타 산업 분야에 적용 가능한 생리활성 고분자를 확보하는 데 기여할 수 있다. 본 연구는 미생물 EPS에 대한 기존 연구를 검토하여 미생물 기원, 생리화학적 특성(특히 생물활성 관련), 작용 기전을 종합적으로 분석함으로써 연구자들이 구조-특성-생물활성 관계를 규명할 수 있는 기반을 마련하고자 한다.

그러나 다양한 EPS의 생물활성에 대한 이러한 특성들의 영향에 대해서는 상반된 연구 결과가 존재한다. 이는 생물학적 활성 평가에 사용된 다양한 생체 내 및 시험관 내 모델의 차이뿐만 아니라 모든 미생물 EPS 구조에 대한 포괄적인 지식의 부족과 관련될 수 있습니다. 따라서 EPS의 생물학적 활성 메커니즘을 규명하기 위한 추가 연구가 수행되어야 합니다.

Acknowledgements

The authors acknowledge Damghan University.

Author contributions

FS and PF wrote the main manuscript text and FS. prepared Figs. 1–5. All authors reviewed the manuscript.

Funding

Authors state no funding involved.

DeclarationsCompeting interests

The authors declare no competing interests.

Informed consent

If the article is accepted for publication, the transfer of copyright from the author to this journal.

Footnotes

Publisher’s Note

Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

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