Pubblicato su Nature Microbiology, un recente studio getta luce sull’eterogeneità dei Bifidobacteria, ampiamente utilizzati in probiotici e formulazioni simbiotiche. La ricerca rivela che la capacità di questi batteri di elaborare i carboidrati, un fattore chiave per la loro sopravvivenza e utilità nel tratto gastrointestinale, varia enormemente non solo tra le specie, ma anche tra i singoli ceppi.
Bifidobacteriume metabolismo dei carboidrati
I Bifidobacterium sono batteri Gram-positivi saccarolitici noti per i loro effetti benefici e ampiamente impiegati come probiotici o in formulazioni simbiotiche. Predominano nel tratto gastrointestinale dei mammiferi e la composizione delle specie che colonizzano l’intestino umano è fortemente modulata dall’apporto di carboidrati con la dieta. Durante l’allattamento, ad esempio, prevalgono specie specializzate nel metabolismo degli oligosaccaridi del latte umano (HMO), come Bifidobacterium longum subsp. infantis (Bl. infantis), che può rappresentare fino al 90% del microbiota intestinale dei neonati allattati al seno in popolazioni non occidentalizzate. Lo svezzamento, invece, determina una progressiva transizione verso specie adattate all’utilizzo di glicani di origine vegetale. Nonostante i benefici consolidati, la risposta individuale alla supplementazione probiotica con Bifidobacterium può variare in base al ceppo, alla composizione del microbiota, alla dieta e allo stile di vita. Finora, i tentativi di caratterizzare genomicamente il metabolismo dei carboidrati nei Bifidobacterium erano limitati da annotazioni funzionali incomplete e da una rappresentazione insufficiente della diversità a livello di ceppo, soprattutto in popolazioni non occidentali.
Disegno dello studio: un approccio integrato
Gli autori di questo nuovo studio hanno adottato un approccio integrato, combinando una ricostruzione metabolica curata manualmente con tecniche di machine learning, per delineare con precisione come i diversi ceppi di Bifidobacterium utilizzino i carboidrati. In totale sono stati analizzati 3.083 genomi. Un set di riferimento di 263 genomi (tra cui 19 ceppi isolati in Bangladesh e sequenziati per la prima volta nello studio) è stato esaminato in modo approfondito, identificando 589 funzioni metaboliche (tra enzimi catabolici, trasportatori e regolatori trascrizionali). Da questa analisi sono emerse 68 vie cataboliche, suddivise in 18 per monosaccaridi, 39 per di- e oligosaccaridi e 11 per polisaccaridi. Le diverse combinazioni di vie metaboliche sono state poi sintetizzate in una sorta di “impronta genomica”, convertita in fenotipi binari (“utilizzatore” o “non utilizzatore”), e impiegata per addestrare un modello predittivo di tipo random forest, chiamato glycobif. Questo modello è servito per estendere le previsioni ad altri 2.820 genomi e a MAGs (genomi assemblati da metagenomi). Infine, 38 dei fenotipi previsti sono stati confermati in laboratorio attraverso saggi di crescita su 43 substrati, utilizzando 30 ceppi provenienti da aree geografiche differenti.
Risultati: diversità metabolica e adattamenti ecologici di Bifidobacterium
L’analisi ha rivelato una notevole eterogeneità funzionale, sia tra specie diverse sia tra ceppi della stessa specie. La tassonomia spiegava la maggior parte della variabilità (circa il 91%) nei profili di utilizzo dei glicani. Le vie metaboliche per gli zuccheri più comuni (come glucosio, galattosio, fruttosio, lattosio) risultavano altamente conservate (oltre il 98% dei genomi), mentre 66 delle 68 vie mostravano differenze a livello di ceppo. Bifidobacterium bifidum si distingueva per la specializzazione nel metabolismo dei glicani O-mucinici e degli oligosaccaridi del latte umano (HMO), ma mostrava una capacità limitata di processare polisaccaridi di origine vegetale. All’interno di B. longum sono emerse divergenze ecologiche rilevanti: un clade distinto, denominato Bl. nov., era in grado di metabolizzare α-glucani come amido solubile e pullulano, ma aveva perso parte della capacità di utilizzare glicani derivati dall’ospite. B. infantis conservava la tipica specializzazione per gli HMO, mentre B. longum mostrava una maggiore adattabilità ai carboidrati vegetali, come L-arabinosio e arabinoxilano.
Particolarmente interessanti sono risultati i ceppi provenienti dal Bangladesh, che presentavano adattamenti genomici unici, probabilmente legati a dieta e stile di vita locali. In due ceppi di B. kashiwanohense è stato identificato un cluster genico dedicato alla degradazione degli xiloglucani (XGL), componenti delle emicellulose vegetali. Un altro ceppo della stessa specie possedeva, invece, una variante del cluster H1, tipico di B. infantis, che gli consentiva di metabolizzare HMOs complessi, comprese strutture fucosilate e sialilate. Le vie di utilizzo dei glicani che originano dal latte umano erano più frequenti nei genomi associati a bambini sotto i tre anni, mentre quelle per glicani vegetali risultavano predominanti negli adulti, evidenziando come età, dieta e ambiente influenzino profondamente l’adattamento metabolico dei Bifidobacterium.
Conclusioni
Lo studio delinea un quadro genomico solido per prevedere le reti di utilizzo dei glicani nei diversi ceppi di Bifidobacterium. La combinazione tra ricostruzione metabolica su larga scala e pipeline automatizzata glycobif rappresenta un avanzamento importante per un’annotazione funzionale più precisa dei genomi. I risultati mostrano come le strategie di utilizzo dei glicani varino in base a età, dieta e stile di vita dell’ospite, evidenziando una notevole diversità metabolica anche a livello di ceppo. L’identificazione di varianti specifiche, come il clade Bl. nov. e i ceppi del Bangladesh con cluster genici unici per XGL e HMO, suggerisce che la selezione mirata di ceppi probiotici e simbiotici, adattata al contesto nutrizionale, potrebbe migliorare l’efficacia delle future applicazioni cliniche e nutraceutiche.
