العثور على شركاء معويين بين تريليونات التركيبات: تصميم تجارب بالذكاء الاصطناعي والروبوتات لإنتاج مجتمعات بكتيرية مولِّدة للزبدات

عندما تدخل البروبيوتيك إلى الأمعاء، فإنها لا تواجه أرضًا خالية، بل نظامًا بيئيًا ميكروبيًا يضم أعضاء كثيرين ويختلف من شخص إلى آخر. ويعني هذا الاختلاف أن النوع نفسه من البروبيوتيك أو الألياف الغذائية قد لا يُحدث الأثر ذاته لدى الجميع. ويحاول فريق من جامعة ديوك الآن استخدام التعلّم الآلي إلى جانب التجارب الروبوتية للعثور، ضمن فضاء هائل من التركيبات، على توليفات من الميكروبات والألياف تكون أقل تأثرًا بالمجتمعات البكتيرية الموجودة أصلًا.

نُشرت الدراسة في مجلة «Nature Chemical Biology». واختار الفريق 15 نوعًا من ميكروبات الأمعاء و6 أنواع من الألياف الغذائية، واضعًا نواتج أيضية مفيدة مثل الزبدات وخصائص المجتمع ضمن أهداف التصميم. وحتى مع وجود 21 متغيرًا فقط، يمكن أن يتجاوز عدد التركيبات المحتملة من الأنواع البكتيرية والعناصر الغذائية تريليون تركيبة، ما يجعل اختبارها جميعًا واحدًا تلو الآخر غير ممكن.

ولتضييق نطاق البحث، أنشأ الباحثون دورة «تصميم—اختبار—تعلّم»: يختار النموذج أولًا الظروف الأكثر قدرة على سد فجوات المعرفة، والتي يُحتمل في الوقت نفسه أن تحقق الأهداف، ثم تُحال إلى منصة مؤتمتة لزراعة المجتمعات البكتيرية وتحليلها، وتُعاد النتائج إلى النموذج في الجولة التالية. وأكمل النظام خمس دفعات من التجارب عالية الإنتاجية، مع اختبار ما يصل إلى 390 حالة بالتوازي في الدفعة الواحدة، ما ركّز البحث في المناطق الأعلى من حيث القيمة المعلوماتية.

حدّد التحليل تركيبة بيئية تتمحور حول الإينولين. فعند وجود بكتيريا متعددة الأشكال الشبيهة بالعصوانية (Bacteroides uniformis) وAnaerostipes caccae معًا، وإضافة التفاعل عالي الرتبة الذي تشكّله بكتيريا بريفوتيلا Prevotella copri، استطاع المجتمع إنتاج الزبدات بمزيد من الاستقرار. والزبدات حمض دهني قصير السلسلة يتكوّن عندما تحلّل بكتيريا الأمعاء الألياف، ويرتبط بإمداد خلايا القولون بالطاقة وتنظيم المناعة؛ غير أن زيادة إنتاجه لا تعني في حد ذاتها إثبات فعالية ضد الأمراض.

لم يقتصر التحقق من هذا العمل على مجتمعات اصطناعية تتألف من عدد قليل من الأنواع البكتيرية. فعندما أضاف الباحثون تركيبات الأنواع البكتيرية والألياف التي صمّمها النموذج إلى مجتمعات ميكروبية من براز بشري، ظلوا يلاحظون مخرجات أيضية مفيدة يمكن التنبؤ بها، ما يشير إلى احتفاظ التركيبة بقدر من المتانة ضمن سياق بيئي أكثر تعقيدًا. كما أتاحت الورقة البحثية علنًا البيانات المستخدمة في تدريب النموذج وتصميم التجارب، وبيانات التسلسل، وشيفرة التحليل، بما يسهّل على الفرق الأخرى اختبار المنهجية.

لا تزال النتائج في مرحلتها الحالية إثباتًا للمفهوم في المختبر؛ فالأنواع البكتيرية والألياف المختبرة لا تغطي سوى جزء صغير من النظام البيئي الحقيقي للأمعاء. كذلك، لم تُجب الدراسة بعد عما إذا كانت السلالات قادرة على الاستيطان طويل الأمد، وكيف تغيّر الأنظمة الغذائية والأدوية المختلفة التأثير، وما إذا كانت زيادة الزبدات ستتحول إلى فوائد سريرية قابلة للقياس. ويقيّم الفريق التركيبات المرشحة في نموذج فأري لمرض الأمعاء الالتهابي؛ ووفقًا لتقرير الجامعة، تبدو النتائج المبكرة واعدة، لكن البيانات الحيوانية الكاملة لم تُنشر بعد، ولذلك لا يمكن الاستناد إليها لاستنتاج الفعالية لدى البشر. وتتمثل القيمة العملية الأكثر وضوحًا لهذه المنصة حاليًا في نقل تطوير البروبيوتيك والبريبايوتيك من التركيبات القائمة على الخبرة إلى هندسة بيئية قابلة للاختبار المتكرر.