Deblocarea genomurilor bacteriene pentru a dezvolta terapii probiotice personalizate

Un studiu publicat în revista Nature Microbiology a realizat cea mai detaliată reconstrucție genomică funcțională a utilizării carbohidraților de către bifidobacterii. Prin combinarea unor metode computaționale avansate cu validări experimentale, cercetătorii au cartografiat 68 de căi metabolice implicate în degradarea glicanelor, evidențiind o diversitate taxonomică și de tulpină profundă în capacitatea de utilizare a carbohidraților.
Bifidobacteriile sunt bacterii Gram-pozitive, cu metabolism predominant sacarolitic, care colonizează tractul gastrointestinal uman încă din perioada neonatală. În primele luni de viață, laptele matern, bogat în oligozaharide (HMO), favorizează dominanța unor specii adaptate metabolic, precum Bifidobacterium longum subsp. infantis. După înțărcare, are loc o tranziție spre tulpini capabile să metabolizeze glicani de origine vegetală. Aceste procese sunt influențate de dietă, vârstă și context geografic, iar adaptările la diferite substraturi glicidice pot varia la nivel de specie și sub-specie.

Despre studiu

Autorii au analizat:

• 263 genomi de referință de Bifidobacterium (inclusiv 19 din Bangladesh) și 2.820 de genomi adiționali.
• 589 funcții implicate în metabolismul glicidelor (enzime, CAZyme, transportori, factori de transcripție).
• 68 căi metabolice pentru mono-, di-, oligo- și polizaharide.
• Validare in vitro a 38 de fenotipuri pe 30 de tulpini.

Rezultate

Distribuție filogenetică și diversitate inter-specie

Majoritatea căilor de metabolizare a glucozei, galactozei, lactozei și galactooligozaharidelor sunt conservate (>98% din genomi), definind un nucleu metabolic al bifidobacteriilor intestinale. Alte substraturi precum rafinoza, izomaltooligozaharidele sau fructooligozaharidele scurte sunt utilizate variabil între specii. B. bifidum s-a dovedit specializat în glicani de origine gazdă (HMO, glicani mucinici), dar cu un potențial redus pentru substraturi vegetale.

Heterogenitate intra-specie: cazul B. longum

Genomii B. longum s-au grupat în patru clade distincte: infantis, longum, suis și nov.. Ultima prezintă o capacitate redusă de utilizare a glicanelor umane, dar posedă enzime pentru degradarea amidonului solubil și pullulanului. Bl. infantis codifică extensiv căi pentru HMO-uri complexe (LNnT, 2′FL, LNFP I), în timp ce Bl. longum este mai adaptat la carbohidrați vegetali (arabinozaharide, arabinoxilan).

Heterogenitate de tulpină și adaptări regionale

Bifidobacteriile izolate din Bangladesh prezintă:

• Gene unice (xgl) pentru degradarea hemicelulozelor vegetale precum xiloglucanii.
• Variante ale clusterului H1, permițând utilizarea HMOs, inclusiv în specii neasociate anterior cu acest fenotip (B. kashiwanohense).
• Absența unor căi clasice (ex. catabolismul Neu5Ac în B. breve).

Aceste caracteristici reflectă o adaptare la dieta mixtă a sugarilor înțărcați din regiuni non-occidentale.

Validare experimentală

Validarea in vitro a inclus:

• 43 substraturi glicidice testate pe 30 de tulpini.
• Precizie >94% pentru predicțiile automate/manuale.
• Confirmarea capacității tulpinilor Bangladeșene de a utiliza xiloglucani, dar nu Neu5Ac.
• Demonstrări funcționale ale utilizării HMOs în tulpinile cu H1/FHMO, inclusiv consum selectiv de 2′FL și structuri sialilate.

Concluzii

Studiul evidențiază plasticitatea metabolică a bifidobacteriilor, influențată de ecologia intestinală (vârstă, dietă, stil de viață) și arată că:

• Diversitatea genetică la nivel de tulpină este mai mare decât se credea.
• Unele specii aparent „infantile” pot metaboliza glicani vegetali, iar specii „adulte” pot degrada HMO-uri.
• Genele implicate în metabolizarea glicidelor sunt distribuite neuniform, fiind modulate de presiuni ecologice locale.
• Predicțiile genomice pot ghida dezvoltarea probioticelor și sinbioticelor personalizate, adaptate la dietele regionale și stadiul dezvoltării microbiotei.

Aceste descoperiri deschid calea spre o nutriție microbiomică de precizie, unde selecția de tulpini și prebiotice se bazează pe profilul genomic și fenotipic al bifidobacteriilor dominante în populația țintă.