Большое количество преимуществ пробиотиков для здоровья привело к развитию новой дисциплины, называемой пробиогеномикой, которая фокусируется на молекулярных механизмах действия пробиотиков.
Пробиотики нового поколения соответствуют понятию "живые биотерапевтические продукты" (ЖБП), которые могут быть использованы для разработки эффективных терапевтических средств для лечения различных заболеваний. Сочетание пробиотиков нового поколения с омическими технологиями значительно расширило возможности применения пробиотиков. Широкий спектр биомолекул может запускать многофакторные молекулярные механизмы, связанные с пользой пробиотиков для здоровья. Эти биомолекулы в основном являются продуктами метаболизма микроорганизмов или белковыми молекулами, присутствующими на поверхности клетки (например, белки поверхностного (S)-слоя Lactobacillus).
У Lactobacillus белок S покрывает всю бактериальную клетку. Он образует слой, который защищает от осмотического и механического стресса, бактериолитических ферментов, изменений значений рН и антимикробных пептидов. Только некоторые штаммы Lactobacillus производят S-белок, который играет существенную роль в проявлении пробиотических свойств. Этот S-слой находится в непосредственном контакте с микросредой и способствует адгезии к муцину и эпителиальным клеткам, опосредуя распознавание поверхности, аутоагрегацию и коагрегацию.
Биоактивные пептиды, экзополисахариды (EPSs) и бактериоцины являются потенциальными биомолекулами, оказывающими оздоровительное действие. Бактериоцины обладают антимикробными свойствами, которые помогают пробиотическим клеткам противостоять конкурентной полимикробной среде. EPS играет защитную роль, когда пробиотические клетки подвергаются воздействию кишечной среды. Кроме того, эти биомолекулы оказывают бифидогенное действие на кишечную микробиоту и обладают иммуномодулирующим, противомикробным, противоопухолевым и холестериноснижающим действием.
Биомолекулы также известны как сигнальные молекулы, которые могут обнаруживать микробные взаимодействия, а также регулировать сигнальные пути. Кроме того, биологически активные молекулы применяются в качестве биотерапевтических средств, в частности, как альтернатива антибиотикам. Ключевым источником новых пробиотических штаммов является микробиом человеческого молока, который состоит из видов бактерий, передающихся во время беременности и родов. Микробиом человеческого молока положительно влияет на формирование кишечной микробиоты новорожденных.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале International Journal of Molecular Sciences, оценивался вклад микробиоты человеческого молока в формирование кишечной микробиоты новорожденных. Кроме того, из образцов человеческого молока были выделены уникальные бактериальные изоляты. Авторы также охарактеризовали специфические клеточные молекулы, в частности, белки S-слоя, бактериоцины и EPSs, которые в будущем могут быть использованы в качестве пробиотиков. Эти биомолекулы также обладают биотерапевтическими свойствами.
В исследовании принимали участие здоровые матери, которые кормили новорожденных грудью в течение как минимум одного месяца после введения твердой пищи. Пятнадцать образцов человеческого молока и кала младенцев были собраны отдельно в трех разных временных точках, т.е. в течение одной недели после рождения младенца, одного месяца после рождения и одного месяца после введения твердой пищи. Из образцов человеческого молока было выделено около 100 штаммов бактерий. Lactobacillus helveticus, штамм, экспрессирующий S-слой, использовался в качестве положительного контроля, а Lactiplantibacillus plantarum, штамм, не продуцирующий S-слой, использовался в качестве отрицательного контроля. Антимикробные свойства оценивались по отношению к Listeria monocytogenes, Escherichia coli, Staphylococcus aureus и Salmonella enterica.
Данные секвенирования подтвердили, что образцы человеческого молока и кала младенцев имеют уникальный состав микробиома. Состав микробиома человеческого молока различался у разных матерей. Например, обилие Firmicutes варьировало от 43,36% до 83,37%, Bacteroidetes от 0,17% до 13,94%, Actinobacteria от 0,46% до 21,89%, Proteobacteria от 2,86% до 53,46% и Verrucomicrobia от 0% до 7,38%. У младенцев микробиом кала содержал различный уровень Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria, Veruccomicrobia и Bacteroidetes.
Хотя микробиомы грудного молока и кала младенцев были похожи, в грудном молоке человека наблюдалось относительно большее обилие одних и тех же фил, чем в кале. Кроме того, α-разнообразие микробиома молока было значительно выше по сравнению с фекалиями. Этот вывод указывает на то, что микробиота молока более разнообразна, чем микробиота кала. В разные периоды лактации наблюдалось изменение состава микробиома молока человека, что повлияло на состав микробиома кала новорожденных. Например, со временем количество Actinobacteria и Verrucomicrobia увеличивалось в человеческом молоке и кале младенца. Примечательно, что после введения твердой пищи значительно увеличилось количество бактерий, относящихся к филуму Bacteroidetes.
С помощью иерархического кластерного анализа электрофоретических профилей RAPD-PCR было отобрано 28 генетически различных штаммов бактерий, являющихся продуцентами терапевтических биомолекул. Из микробиома человеческого молока были выделены четыре штамма L. brevis, которые синтезировали белки S-слоя и демонстрировали иммуномодулирующую активность в кишечнике. Кроме того, шесть штаммов L. plantarum продуцировали плантарицин, который оказывал антибактериальное действие. Синтезировали EPS только L. fermentum.
Таким образом, исследование показало, что каждый образец человеческого молока и кала младенца уникален с точки зрения микробиома. Однако оба исследованных микробиома оказались производителями биомолекул, обладающих терапевтическим действием. В будущем авторы будут продолжать анализировать бактериальные изоляты и их потенциальные терапевтические биомолекулы, которые могут стать потенциальными пробиотиками нового поколения.
