Пробиотики становятся важным инструментом в отделениях интенсивной терапии новорождённых для улучшения здоровья и профилактики кишечных заболеваний, таких как некротизирующий энтероколит. Примерно одному из десяти самых маленьких недоношенных детей в США назначают пробиотики, и исследования показывают, что такая терапия может снизить общую смертность.
Пробиотическое лечение часто включает введение бактериальных штаммов, принадлежащих к роду Bifidobacterium. Штаммы Bifidobacterium особенно многочисленны в кишечнике детей, особенно у детей на грудном вскармливании, и считаются полезными для здоровья человека.
«Бифидобактерии обладают множеством положительных свойств, начиная с подавления роста патогенных бактерий путём вытеснения их за пространство и питательные вещества», — сказал Александр Арзамасцев, доктор философии, постдокторант в Санфорд Бёрнхэм Пребис. «Они также помогают в развитии иммунной системы младенца».
Учёные пытались использовать пробиотики для доставки полезных свойств Bifidobacterium младенцам, страдающим от недоедания. Исследования показали, что пробиотическое лечение у бангладешских младенцев, страдающих от острого тяжёлого истощения, способствовало набору веса, но полезные бактерии не закрепились в микробиоме младенцев, как ожидалось при тестировании в США.
«Нам было интересно, был ли штамм менее эффективен, потому что он не был адаптирован к местным диетам бангладешских детей», — сказал Андрей Остерман, доктор философии, профессор Центра наук о данных в Санфорд Бёрнхэм Пребис и заместитель декана в Школе биомедицинских наук. «И мы подумали, что сможем предсказать, какие штаммы будут процветать в разных условиях, что позволит нам подбирать пробиотики для детей в зависимости от того, где они живут и что едят».
Арзамасцев, Остерман и их коллеги из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, Университета Сабанджи и Калифорнийского университета в Сан-Диего опубликовали результаты в журнале Nature Microbiology, демонстрируя способность предсказывать адаптацию Bifidobacterium к питательным веществам путём анализа распределения сотен метаболических генов в тысячах геномов Bifidobacterium.
Методы исследования
Учёные сначала определили метаболические гены, позволяющие Bifidobacterium расщеплять специфические углеводы для получения энергии. «Когда мы едим пищу, многие пищевые углеводы не перевариваются нашим организмом, особенно более сложные волокна», — сказал Арзамасцев, ведущий автор исследования. «Вместо этого они попадают прямо в толстый кишечник, где их могут метаболизировать кишечные бактерии».
После ручного анализа 263 геномов Bifidobacterium и интеграции данных из сотен ранее опубликованных исследований исследовательская группа реконструировала 68 метаболических путей, которые определяли, может ли бактерия расщеплять определённый углевод. Затем группа расширила эти выводы, обучив модель на основе искусственного интеллекта для анализа более чем 2800 дополнительных геномов, чтобы предсказать кодируемую способность расщеплять каждый из 68 идентифицированных гликозидов.
Учёные проверили свои прогнозы на 30 географически разнообразных штаммах Bifidobacterium, наблюдая за их способностью расти при употреблении (или нет) 43 углеводов, соответствующих прогнозируемым путям утилизации углеводов. Сравнивая прогнозируемый рост с фактическим ростом в этих валидационных экспериментах, точность прогнозов составила более 94%.
Группа обнаружила различия в использовании углеводов в зависимости от географического положения, диеты и образа жизни. Например, они обнаружили отличительные особенности штаммов Bifidobacterium, выделенных из фекальных образцов бангладешских детей. Эти штаммы обладали уникальной способностью расщеплять как углеводы из грудного молока, так и растительные волокна, что может указывать на то, что эти штаммы адаптировались к изменениям в питательных веществах по мере того, как младенец переходит с молока на другие продукты.
«Мы обнаружили, что у этих бангладешских изолятов есть уникальные кластеры генов и уникальные метаболические фенотипы, которых нет ни в одном другом геноме штаммов, выделенных из других частей мира», — сказал Арзамасцев. «Это подтверждает важность изучения микробиома кишечника в недостаточно изученных популяциях по всему миру с учётом культурных особенностей, поскольку они обладают уникальным биологическим разнообразием, которое в настоящее время недооценено».
Предоставив критический ресурс для будущих исследований и разработки персонализированных пробиотиков, Остерман, Арзамасцев и их коллеги показали, как стратегии углеводного метаболизма различаются между видами Bifidobacterium и внутри них и формируются под влиянием экологических факторов, включая возраст хозяина, диету и образ жизни.
«С этой энциклопедией путей утилизации сахаров в сотнях штаммов с секвенированными геномами вы теперь можете с уверенностью предсказать, какие питательные вещества поддерживают их рост, а какие нет», — сказал Остерман, старший и соавтор, отвечающий за исследование. «В дополнение к сборнику из сотен уже известных бактериальных изолятов мы создали инструмент, который можно использовать для прогнозирования такого же типа для тысяч и тысяч других».
«Вы можете использовать эти знания для отбора штаммов в качестве пробиотических кандидатов для конкретной ситуации», — сказал Арзамасцев. «И вы можете точно определить, какие питательные вещества будут поддерживать эти пробиотические штаммы, чтобы рационально разрабатывать дополнительные продукты питания, чтобы сделать их ещё более эффективными».
Предоставлено Санфорд Бёрнхэм Пребис.