The 3,308,274-bp sequence of the chromosome of Lactobacillus plantarum strain WCFS1, a single colony isolate of strain NCIMB8826 that was originally isolated from human saliva, has been determined, and contains 3,052 predicted protein-encoding genes. Putative biological functions could be assigned to 2,120 (70%) of the predicted proteins. Consistent with the classification of L. plantarum as a facultative heterofermentative lactic acid bacterium, the genome encodes all enzymes required for the glycolysis and phosphoketolase pathways, all of which appear to belong to the class of potentially highly expressed genes in this organism, as was evident from the codon-adaptation index of individual genes. Moreover, L. plantarum encodes a large pyruvate-dissipating potential, leading to various end-products of fermentation. L. plantarum is a species that is encountered in many different environmental niches, and this flexible and adaptive behavior is reflected by the relatively large number of regulatory and transport functions, including 25 complete PTS sugar transport systems. Moreover, the chromosome encodes >200 extracellular proteins, many of which are predicted to be bound to the cell envelope. A large proportion of the genes encoding sugar transport and utilization, as well as genes encoding extracellular functions, appear to be clustered in a 600-kb region near the origin of replication. Many of these genes display deviation of nucleotide composition, consistent with a foreign origin. These findings suggest that these genes, which provide an important part of the interaction of L. plantarum with its environment, form a lifestyle adaptation region in the chromosome.

Quorum sensing in lactic acid bacteria (LAB) involves peptides that are directly sensed by membrane-located histidine kinases, after which the signal is transmitted to an intracellular response regulator. This regulator in turn activates transcription of target genes, that commonly include the structural gene for the inducer molecule. The two-component signal-transduction machinery has proven to be indispensable for transcription activation and production of several autoinducers found in LAB, which are predominantly bacteriocins or bacteriocin-like peptides. In the nisin autoregulation process in Lactococcus lactis the NisK protein acts as the sensor for nisin and the NisR protein as the response regulator, activating transcription of target genes. The cis-acting elements for NisR were identified as the nisA and nisF promoter fragments and these were further analysed for inducibility. Based on this knowledge efficient nisin-controlled expression (NICE) systems were developed for several different lactic acid bacteria. A promising application of the NICE system is the development of autolytic starter lactococci, which will lyse in an early stage during cheese ripening thereby facilitating the release of intracellular enzymes which can contribute to flavour formation.

The human gastrointestinal tract (GI tract) harbors a complex community of microbes. The microbiota composition varies between different locations in the GI tract, but most studies focus on the fecal microbiota, and that inhabiting the colonic mucosa. Consequently, little is known about the microbiota at other parts of the GI tract, which is especially true for the small intestine because of its limited accessibility. Here we deduce an ecological model of the microbiota composition and function in the small intestine, using complementing culture-independent approaches. Phylogenetic microarray analyses demonstrated that microbiota compositions that are typically found in effluent samples from ileostomists (subjects without a colon) can also be encountered in the small intestine of healthy individuals. Phylogenetic mapping of small intestinal metagenome of three different ileostomy effluent samples from a single individual indicated that Streptococcus sp., Escherichia coli, Clostridium sp. and high G+C organisms are most abundant in the small intestine. The compositions of these populations fluctuated in time and correlated to the short-chain fatty acids profiles that were determined in parallel. Comparative functional analysis with fecal metagenomes identified functions that are overrepresented in the small intestine, including simple carbohydrate transport phosphotransferase systems (PTS), central metabolism and biotin production. Moreover, metatranscriptome analysis supported high level in-situ expression of PTS and carbohydrate metabolic genes, especially those belonging to Streptococcus sp. Overall, our findings suggest that rapid uptake and fermentation of available carbohydrates contribute to maintaining the microbiota in the human small intestine.

Lactobacillus plantarum, a commensal bacterium of humans, has been proposed to enhance the intestinal barrier, which is compromised in a number of intestinal disorders. To study the effect of L. plantarum strain WCFS1 on human barrier function, healthy subjects were administered L. plantarum or placebo in the duodenum for 6 h by means of a feeding catheter. The scaffold protein zonula occludens (ZO)-1 and transmembrane protein occludin were found to be significantly increased in the vicinity of the tight-junction (TJ) structures, which form the paracellular seal between cells of the epithelium. In an in vitro model of the human epithelium, L. plantarum induced translocation of ZO-1 to the TJ region; however, the effects on occludin were minor compared with those seen in vivo. L. plantarum was shown to activate Toll-like receptor 2 (TLR2) signaling, and treatment of Caco-2 monolayers with the TLR2 agonist Pam(3)-Cys-SK4(PCSK) significantly increased fluorescent staining of occludin in the TJ. Pretreatment of Caco-2 monolayers with L. plantarum or PCSK significantly attenuated the effects of phorbol ester-induced dislocation of ZO-1 and occludin and the associated increase in epithelial permeability. Our results identifying commensal bacterial stimulation of TLR2 in the gut epithelium as a regulator of epithelial integrity have important implications for understanding probiotic mechanisms and the control of intestinal homeostasis.

The human gut is colonized by a complex microbiota with multiple benefits. Although the surface-attached, mucosal microbiota has a unique composition and potential to influence human health, it remains difficult to study in vivo. Therefore, we performed an in-depth microbial characterization (human intestinal tract chip (HITChip)) of a recently developed dynamic in vitro gut model, which simulates both luminal and mucosal gut microbes (mucosal-simulator of human intestinal microbial ecosystem (M-SHIME)). Inter-individual differences among human subjects were confirmed and microbial patterns unique for each individual were preserved in vitro. Furthermore, in correspondence with in vivo studies, Bacteroidetes and Proteobacteria were enriched in the luminal content while Firmicutes rather colonized the mucin layer, with Clostridium cluster XIVa accounting for almost 60% of the mucin-adhered microbiota. Of the many acetate and/or lactate-converting butyrate producers within this cluster, Roseburia intestinalis and Eubacterium rectale most specifically colonized mucins. These 16S rRNA gene-based results were confirmed at a functional level as butyryl-CoA:acetate-CoA transferase gene sequences belonged to different species in the luminal as opposed to the mucin-adhered microbiota, with Roseburia species governing the mucosal butyrate production. Correspondingly, the simulated mucosal environment induced a shift from acetate towards butyrate. As not only inter-individual differences were preserved but also because compared with conventional models, washout of relevant mucin-adhered microbes was avoided, simulating the mucosal gut microbiota represents a breakthrough in modeling and mechanistically studying the human intestinal microbiome in health and disease. Finally, as mucosal butyrate producers produce butyrate close to the epithelium, they may enhance butyrate bioavailability, which could be useful in treating diseases, such as inflammatory bowel disease.

Lactobacillus plantarum is a versatile lactic acid bacterium that is encountered in a range of environmental niches, has a proven ability to survive gastric transit, and can colonize the intestinal tract of human and other mammals. Several studies describe the effects of L. plantarum consumption on human physiology. The availability of the complete genome sequence of L. plantarum WCFS1 makes it a suitable model to explore the molecular mechanisms underlying the targeted intestinal properties of this species. An increasing number of studies address the development of L. plantarum into an ingestible living vaccine. Furthermore, studies are emerging to determine the activity of L. plantarum in the human intestinal tract. This review discusses the studies of the safety and survival of L. plantarum in the human intestinal tract, the effects of this bacterium on the host and it provides an overview of the molecular studies addressing the activity of L. plantarum in the human gut environment.

We studied the effect of dietary fat type, varying in polyunsaturated-to-saturated fatty acid ratios (P/S), on development of metabolic syndrome. C57Bl/6J mice were fed purified high-fat diets (45E% fat) containing palm oil (HF-PO; P/S 0.4), olive oil (HF-OO; P/S 1.1), or safflower oil (HF-SO; P/S 7.8) for 8 wk. A low-fat palm oil diet (LF-PO; 10E% fat) was used as a reference. Additionally, we analyzed diet-induced changes in gut microbiota composition and mucosal gene expression. The HF-PO diet induced a higher body weight gain and liver triglyceride content compared with the HF-OO, HF-SO, or LF-PO diet. In the intestine, the HF-PO diet reduced microbial diversity and increased the Firmicutes-to-Bacteroidetes ratio. Although this fits a typical obesity profile, our data clearly indicate that an overflow of the HF-PO diet to the distal intestine, rather than obesity itself, is the main trigger for these gut microbiota changes. A HF-PO diet-induced elevation of lipid metabolism-related genes in the distal small intestine confirmed the overflow of palm oil to the distal intestine. Some of these lipid metabolism-related genes were previously already associated with the metabolic syndrome. In conclusion, our data indicate that saturated fat (HF-PO) has a more stimulatory effect on weight gain and hepatic lipid accumulation than unsaturated fat (HF-OO and HF-SO). The overflow of fat to the distal intestine on the HF-PO diet induced changes in gut microbiota composition and mucosal gene expression. We speculate that both are directly or indirectly contributive to the saturated fat-induced development of obesity and hepatic steatosis.

How do we acquire immune tolerance against food microorganisms and commensal bacteria that constitute the intestinal microbiota? We investigated this by stimulating the immune system of adults with commensal Lactobacillus plantarum bacteria. We studied the in vivo human responses to L. plantarum in a randomized double-blind placebo-controlled cross-over study. Healthy adults ingested preparations of living and heat-killed L. plantarum bacteria. Biopsies were taken from the intestinal duodenal mucosa and altered expression profiles were analyzed using whole-genome microarrays and by biological pathway reconstructions. Expression profiles of human mucosa displayed striking differences in modulation of NF-κB-dependent pathways, notably after consumption of living L. plantarum bacteria in different growth phases. Our in vivo study identified mucosal gene expression patterns and cellular pathways that correlated with the establishment of immune tolerance in healthy adults.