Los probióticos están ganando terreno como herramientas esenciales en las unidades de cuidados intensivos neonatales, con el objetivo de promover resultados saludables y prevenir enfermedades intestinales como la enterocolitis necrotizante. En Estados Unidos, aproximadamente uno de cada diez recién nacidos prematuros recibe tratamiento con probióticos, y estudios indican que esta terapia puede reducir la mortalidad por diversas causas.
El tratamiento probiótico a menudo incluye la administración de cepas bacterianas del género Bifidobacterium, que son especialmente abundantes en los intestinos de los niños, en particular de aquellos que son alimentados con leche 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 por espacio y nutrientes”, explica Aleksandr Arzamasov, Ph.D., investigador postdoctoral en Sanford Burnham Prebys. “También contribuyen al desarrollo del sistema inmunológico del lactante”.
Desafíos en el uso de probióticos
Los científicos han buscado utilizar probióticos para ofrecer los beneficios del Bifidobacterium a los lactantes que sufren de desnutrición. Investigaciones previas mostraron que el tratamiento probiótico en lactantes bangladesíes con desnutrición aguda severa promovía el aumento de peso, aunque las bacterias beneficiosas no lograron establecerse de forma permanente en los microbiomas de los infantes, como se esperaba tras los estudios realizados en Estados Unidos.
“Nos preguntamos si la cepa era menos efectiva porque no estaba adaptada a las dietas locales de los niños bangladesíes”, afirma Andrei Osterman, Ph.D., profesor en el Centro de Ciencias de Datos de Sanford Burnham Prebys y decano asociado en la Escuela de Ciencias Biomédicas. “Y pensamos que podríamos predecir qué cepas prosperarían en diferentes condiciones, permitiéndonos emparejar los probióticos con los niños según su lugar de residencia y su dieta”.
Osterman, Arzamasov y sus colegas de la Universidad de Medicina de Washington, la Universidad Sabanci y la Universidad de California en San Diego han publicado hallazgos en la revista Nature Microbiology que demuestran 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.
Los científicos primero definieron los genes metabólicos que permiten al Bifidobacterium descomponer carbohidratos específicos para generar energía. “Cuando comemos, muchos de los carbohidratos dietéticos no son digeridos por nuestros cuerpos, especialmente las fibras más complejas”, aclara Arzamasov. “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 previamente publicados, el equipo de investigación reconstruyó 68 vías metabólicas que determinan si una bacteria puede digerir un carbohidrato específico. Posteriormente, ampliaron estos hallazgos entrenando un modelo basado en inteligencia artificial para analizar más de 2,800 genomas adicionales y predecir la capacidad codificada para metabolizar cada uno de los 68 glicanos identificados.
Los científicos validaron sus predicciones en 30 cepas geográficamente diversas de Bifidobacterium, observando su capacidad de crecer al alimentarse (o no) de 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 tasa de precisión de las predicciones superó el 94%.
El estudio reveló diferencias en la utilización de carbohidratos basadas en la ubicación geográfica, la dieta y el estilo de vida. Por ejemplo, se descubrieron características distintivas de cepas de Bifidobacterium aisladas de muestras fecales de niños bangladesíes. Estas cepas tenían una capacidad única para digerir tanto carbohidratos de la leche humana como fibras vegetales, lo que podría indicar que se habían adaptado a los cambios en los nutrientes a medida que un infante se desteta de la leche a otros alimentos.
“Encontramos que estos aislamientos bangladesíes tienen grupos de genes únicos y fenotipos metabólicos no hallados en ningún otro genoma de cepas aisladas de otras partes del mundo”, indica Arzamasov. “Esto refuerza la importancia de estudiar los microbiomas intestinales en poblaciones poco estudiadas de todo el mundo de manera culturalmente sensible, ya que tienen una diversidad biológica única que actualmente se subestima”.
Al demostrar cómo las estrategias de metabolismo de carbohidratos varían entre y dentro de las especies de Bifidobacterium y se ven moldeadas por factores ecológicos, incluidos la edad del huésped, la dieta y el estilo de vida, Osterman, Arzamasov y sus colegas han proporcionado un recurso crítico 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 confianza cuáles son los nutrientes que apoyan su crecimiento y cuáles no”, concluye Osterman, autor principal y co-correspondiente del estudio. “Además de un compendio de cientos de aislamientos bacterianos ya conocidos, construimos una herramienta que puede utilizarse para proporcionar el mismo tipo de predicciones para miles y miles más”.
“Puedes utilizar este conocimiento para seleccionar cepas como candidatos probióticos para una situación dada”, añade Arzamasov. “Y puedes definir con gran precisión qué nutrientes apoyarían a estas cepas probióticas para guiar el desarrollo racional de alimentos suplementarios que las hagan aún más efectivas”.
