Исследование картирует гены Bifidobacterium для разработки персонализированных пробиотиков
Пробиотики становятся инструментом в отделениях интенсивной терапии новорожденных для улучшения здоровья и предотвращения кишечных заболеваний, таких как некротизирующий энтероколит. Примерно одному из десяти самых недоношенных младенцев в США назначают пробиотики, и исследования показывают, что такая терапия может снизить смертность от всех причин.
Лечение часто включает штаммы бактерий рода Bifidobacterium. Эти штаммы особенно обильны в кишечнике детей, особенно находящихся на грудном вскармливании, и считаются полезными для здоровья.
Ученые пытались использовать пробиотики для помощи младенцам, страдающим от недоедания. Исследования показали, что лечение пробиотиками детей в Бангладеш с тяжелым острым недоеданием способствовало набору веса, но полезные бактерии не закрепились в их микробиомах постоянно, как ожидалось по результатам тестов в США.
Исследователи предположили, что штамм был менее эффективен, потому что не был адаптирован к местному рациону. Они задались целью предсказать, какие штаммы будут процветать в разных условиях, чтобы подбирать пробиотики в зависимости от места проживания и питания ребенка.
Ученые из нескольких университетов опубликовали в Nature Microbiology результаты, демонстрирующие возможность предсказывать пищевые адаптации штаммов Bifidobacterium путем анализа распределения сотен метаболических генов в тысячах геномов.
Методология исследования
Сначала необходимо было определить метаболические гены, позволяющие Bifidobacterium расщеплять определенные углеводы для получения энергии. Многие пищевые углеводы, особенно сложные волокна, не перевариваются организмом человека, а попадают в толстый кишечник, где могут метаболизироваться бактериями.
Проанализировав вручную 263 генома Bifidobacterium и интегрировав данные сотен ранее опубликованных исследований, команда реконструировала 68 метаболических путей, определяющих способность бактерии переваривать конкретный углевод. Затем эти данные использовали для обучения модели на основе искусственного интеллекта, которая проанализировала более 2800 дополнительных геномов, чтобы предсказать закодированную способность усваивать каждый из 68 идентифицированных гликанов.
Проверка предсказаний
Предсказания проверили на 30 географически разнообразных штаммах Bifidobacterium, наблюдая за их способностью расти на 43 углеводах, соответствующих предсказанным путям утилизации. Точность предсказаний в этих валидационных экспериментах составила более 94%.
Ключевые выводы
- Обнаружены различия в утилизации углеводов в зависимости от географического положения, диеты и образа жизни.
- Штаммы, выделенные из образцов фекалий детей в Бангладеш, обладали уникальной способностью переваривать как углеводы грудного молока, так и растительные волокна. Это может указывать на адаптацию к изменению питания при переходе с молока на другую пищу.
- У этих изолятов обнаружены уникальные кластеры генов и метаболические фенотипы, не встречающиеся в геномах штаммов из других частей мира. Это подчеркивает важность изучения микробиомов кишечника в недостаточно изученных популяциях по всему миру.
Значение для будущего
Исследование показывает, как стратегии метаболизма углеводов различаются у видов Bifidobacterium и формируются экологическими факторами (возраст хозяина, диета, образ жизни). Это создает критически важный ресурс для будущих исследований и разработки персонализированных пробиотиков.
- «С этой энциклопедией путей утилизации сахаров в сотнях штаммов с секвенированными геномами теперь можно уверенно предсказать, какие питательные вещества поддерживают их рост, а какие — нет», — сказал старший автор исследования.
- «Эти знания можно использовать для выбора штаммов в качестве кандидатов в пробиотики для конкретной ситуации. Можно точно определить, какие питательные вещества будут поддерживать эти пробиотические штаммы, чтобы направлять рациональную разработку дополнительных продуктов питания для повышения их эффективности», — добавил ведущий автор.