El estudio de los genomas de bacterias beneficiosas podría conducir a la creación de probióticos personalizados

Los probióticos son herramientas emergentes que se utilizan en las unidades de cuidados intensivos neonatales para promover resultados saludables y prevenir enfermedades intestinales, como la enterocolitis necrosante. 

El tratamiento probiótico suele incluir la administración de cepas bacterianas del género Bifidobacterium. Estas cepas son especialmente abundantes en el intestino de los niños, especialmente en aquellos que reciben lactancia materna, y se consideran beneficiosas para la salud humana.

“Las bifidobacterias confieren múltiples propiedades positivas, comenzando por inhibir el crecimiento de bacterias patógenas al competir con ellas por espacio y nutrientes”, afirma el doctor Aleksandr Arzamasov, uno de los autores de un estudio, realizado en Estados Unidos, sobre los genomas bacterianos. Asimismo, “también contribuyen al desarrollo del sistema inmunitario del bebé”, agrega el autor acerca de las bifidobacterias.  

Los genomas bacterianos contienen pistas para crear probióticos personalizados

Los científicos de este estudio han intentado usar probióticos para brindar los beneficios de las Bifidobacterias a bebés con desnutrición. Cabe destacar que los estudios han demostrado que el tratamiento probiótico en bebés bangladesíes que sufrían de desnutrición aguda severa promovió el aumento de peso, pero las bacterias beneficiosas no lograron establecerse permanentemente en los microbiomas de los bebés como se esperaba a partir de las pruebas realizadas en EE. UU.

“Nos preguntábamos si la cepa era menos efectiva porque no estaba adaptada a la dieta local de los niños bangladesíes”, explica por su parte el doctor, y también autor del estudio, Andrei Osterman. “Y pensamos que podríamos predecir qué cepas prosperarían en diferentes condiciones, lo que nos permitiría adaptar los probióticos a los niños según su lugar de residencia y su alimentación”, añade. 

Finalmente, Osterman, Arzamasov y sus colegas han demostrado en su trabajo la capacidad de predecir las adaptaciones nutricionales de las cepas de Bifidobacterium mediante el análisis de la distribución de cientos de genes metabólicos en miles de genomas de Bifidobacterium. Así, los científicos primero tuvieron que definir los genes metabólicos que permiten a Bifidobacterium descomponer carbohidratos específicos para generar energía.

"Cuando ingerimos alimentos, muchos de los carbohidratos dietéticos no son digeridos por nuestro cuerpo, especialmente las fibras más complejas", explica Arzamasov antes de afirmar que, "en cambio, van directamente al intestino grueso, donde pueden ser metabolizados por las bacterias intestinales".

Tras analizar manualmente 263 genomas de Bifidobacterium e integrar datos de cientos de estudios publicados previamente, el equipo de investigación reconstruyó 68 vías metabólicas que determinaban si una bacteria podía digerir un carbohidrato específico. Posteriormente, el grupo amplió estos hallazgos entrenando un modelo basado en inteligencia artificial para analizar más de 2.800 genomas adicionales y predecir la capacidad codificada para digerir cada uno de los 68 glicanos identificados.

Los científicos pusieron a prueba sus predicciones con 30 cepas de Bifidobacterium geográficamente diversas, observando su capacidad de crecimiento al consumir (o no) 43 carbohidratos correspondientes a las vías de utilización de carbohidratos predichas. Al comparar el crecimiento predicho con el crecimiento real en estos experimentos de validación, la precisión de las predicciones superó el 94 %.

El grupo descubrió diferencias en la utilización de carbohidratos según la ubicación geográfica, la dieta y el estilo de vida. Por ejemplo, hallaron características distintivas de las cepas de Bifidobacterium aisladas de muestras fecales de niños bangladesíes. Estas cepas tenían una capacidad única para digerir tanto los carbohidratos de la leche materna como las fibras vegetales, lo que podría indicar que se habían adaptado a los cambios en los nutrientes a medida que el bebé deja de comer leche e incorpora otros alimentos.

“Descubrimos que estos aislados de Bangladesh presentan grupos genéticos y fenotipos metabólicos únicos, que no se encuentran en ningún otro genoma de cepas aisladas de otras partes del mundo”, exclama Arzamasov. “Esto refuerza la importancia de estudiar los microbiomas intestinales en poblaciones de todo el mundo poco analizadas, de forma culturalmente sensible, ya que poseen una diversidad biológica única que actualmente se subestima”.

Al demostrar cómo las estrategias del metabolismo de los carbohidratos varían entre las especies de Bifidobacterium y dentro de ellas, y cómo se ven condicionadas por factores ecológicos, como la edad del huésped, la dieta y el estilo de vida, los autores de este estudio han proporcionado un recurso fundamental para futuras investigaciones y el desarrollo de probióticos personalizados.

“Con esta enciclopedia de vías de utilización de azúcares en cientos de cepas con genomas secuenciados, ahora se puede predecir con seguridad cuáles son los nutrientes que favorecen su crecimiento y cuáles no”, explica Osterman. “Además de un compendio de cientos de aislados bacterianos ya conocidos, hemos creado una herramienta que permite realizar el mismo tipo de predicciones para miles y miles de cepas más”.

“Este conocimiento permite seleccionar las cepas como candidatas a probióticos en una situación determinada”, añade finalmente Arzamasov. “Y se puede definir con gran precisión qué nutrientes favorecerían a estas cepas probióticas para guiar el desarrollo racional de suplementos alimenticios y hacerlos aún más eficaces”, remata el investigador.