ABSTRACT β-Mannans are hemicelluloses that are abundant in modern diets as components in seed endosperms and common additives in processed food. Currently, the collective understanding of β-mannan saccharification in the human colon is limited to a few keystone species, which presumably liberate low-molecular-weight mannooligosaccharide fragments that become directly available to the surrounding microbial community. Here we show that a dominant butyrate-producer in the human gut, Faecalibacterium prausnitzii , is able to acquire and degrade various β-mannooligosaccharides (β-MOS), which are derived by the primary mannanolytic activity of neighboring gut microbiota. Detailed biochemical analyses of selected protein components from their two β-mannooligosaccharides (β-MOS) utilization loci ( Fp MULs) supported a concerted model whereby the imported β-MOS are stepwise disassembled intracellularly by highly adapted enzymes. Coculturing experiments of F. prausnitzii with the primary degrader Bacteroides ovatus on polymeric β-mannan resulted in syntrophic growth and production of butyrate, thus confirming the high efficiency of the Fp MULs’ uptake system. Genomic comparison with human F. prausnitzii strains and analyses of 2441 public human metagenomes revealed that Fp MULs are highly conserved and distributed worldwide. Together, our results provide a significant advance in the knowledge of β-mannans metabolism and the degree to which its degradation is mediated by cross-feeding interactions between prominent beneficial microbes in the human gut. Importance Commensal butyrate-producing bacteria belonging to the Firmicutes phylum are abundant in the human gut and are crucial for maintaining health. Currently, insight is lacking into how they target otherwise indigestible dietary fibers and into the trophic interactions they establish with other glycan degraders in the competitive gut environment. By combining cultivation, genomic and detailed biochemical analyses this work reveals the mechanism enabling F. prausnitzii , as a model clostridial cluster IV Firmicute, to cross-feed and access β-mannan-derived oligosaccharides released in the gut ecosystem by the action of primary degraders. A comprehensive survey of human gut metagenomes shows that Fp MULs are ubiquitous in human populations globally, highlighting the importance of microbial metabolism of β-mannans/β-MOS as a common dietary component. Our findings provide a mechanistic understanding of the β-MOS utilization capability by F. prausnitzii that may be exploited to select dietary formulations specifically boosting this beneficial symbiont, thus butyrate production, in the gut.

Polysaccharides from plant biomass are the most abundant renewable chemicals on Earth and can potentially be converted to a wide variety of useful glycoconjugates. While anomeric hydroxyl groups of carbohydrates are amenable to a variety of useful chemical modifications, selective cross-coupling to non-reducing ends has remained challenging. Several lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs), powerful enzymes known for their application in cellulose degradation, specifically oxidize non-reducing ends, introducing carbonyl groups that can be utilized for chemical coupling. This study provides a simple and highly specific approach to produce oxime-based glycoconjugates from LPMO-functionalized oligosaccharides. The products are evaluated by HPLC, mass spectrometry and NMR. Furthermore, we demonstrate potential biodegradability of these glycoconjugates using selective enzymes.

β-Mannans and xylans are important components of the plant cell wall and they are acetylated to be protected from degradation by glycoside hydrolases. β-Mannans are widely present in human and animal diets as fiber from leguminous plants and as thickeners and stabilizers in processed foods. There are many fully characterized acetylxylan esterases (AcXEs), however, the enzymes deacetylating mannans are less understood. Here we present two carbohydrate esterases, RiCE2 and RiCEX, from the Firmicute Roseburia intestinalis, which together deacetylate complex galactoglucomannan (GGM). The 3D-structure of RiCEX with a mannopentaose in the active site shows that the CBM35 domain of RiCEX forms a confined complex, where the axially oriented C2-hydroxyl of a mannose residue points towards the Ser41 of the catalytic triad. Cavities on the RiCEX surface may accept galactosylations at the C6 positions of mannose adjacent to the mannose residue being deacetylated (subsite -1 and +1). In depth characterization of the two enzymes using time-resolved NMR, HPLC and mass spectrometry demonstrates that they work in a complementary manner. RiCEX exclusively removes the axially oriented 2-O-acetylations on any mannose residue in an oligosaccharide, including double acetylated mannoses, while the RiCE2 is active on 3-O-, 4-O- and 6-O-acetylations. Activity of RiCE2 is dependent on RiCEX removing 2-O-acetylations from double acetylated mannose. Furthermore, transacetylation of oligosaccharides with the 2-O specific RiCEX provided new insight to how temperature and pH affects acetyl migration on mannooligosaccharides.

The study of specific glycan uptake and metabolism has been shown to be an effective tool in aiding with the continued unravelling of the complexities in the human gut microbiome. To this aim fluorescent labelling of glycans may provide a powerful route towards target. In this study, we successfully used the fluorescent label 2-aminobenzamide (2-AB), most commonly employed for enhancing the detection of protein anchored glycans, to monitor and study microbial degradation of labelled glycans. Both single strain and co-cultured fermentations of microbes from the common human-gut derived Bacteroides genus, were able to grow when supplemented with 2-AB labelled glycans of different monosaccharide composition, degrees of acetylation and polymerization. Utilizing a multifaceted approach that combines chromatography, mass spectrometry, microscopy and flow cytometry techniques, it was possible to comprehensively track the metabolism of the labelled glycans in both supernatants and at a single cell level. We envisage this combination of complimentary techniques will help further the understanding of substrate specificity and the role it plays within microbial communities.