פיתוח חדשני: אלגוריתם לזיהוי הרגלי תזונה על סמך המיקרוביום

חוקרים באוניברסיטת תל אביב פיתחו אלגוריתם ראשון מסוגו בעולם, שמסוגל לתרגם מידע על הרכב המיקרוביום (אוכלוסיית החיידקים במעיים) למידע מדויק על הרגלי התזונה של אדם או קהילה מסוימת - בפרט בנוגע למזון מן הצומח המכיל סיבים תזונתיים.

המחקר בוצע על ידי פרופ' אלחנן בורנשטיין מבית הספר למדעי המחשב ומהפקולטה לרפואה ויותם כהן מבית הספר למדעי המחשב. המאמר פורסם בכתב העת BMC Biology.

מסביר פרופ' בורנשטיין: "המונח 'סיבים תזונתיים' מוכר היטב לציבור הרחב ומופיע תדיר על אריזות של מוצרי מזון. מקורם של סיבים תזונתיים בעיקר מהצומח, אך חשוב להבין שלמעשה יש סוגים רבים ושונים של סיבים תזונתיים ושכל סוג של צמח, פרי, או ירק, מכיל סיבים תזונתיים שונים. כך לדוגמה, סיבים שמקורם בברוקולי שונים מהסיבים שנמצאים בתפוז, בתפוח אדמה או באורז.

"ככלל, סיבים תזונתיים הם פחמימות מורכבות, שמערכת העיכול שלנו אינה מסוגלת לפרק. הם מגיעים למעיים, ושם חיידקי המיקרוביום ניזונים מהם ומפרקים אותם, בתהליך שמייצר בין היתר תוצרי לוואי המועילים גם למארח – אדם או בעל חיים".

פרופ' אלחנן בורנשטיין, בית הספר למדעי המחשב והפקולטה לרפואה, אוניברסיטת ת"א. צילום: דוברות האונ'

פרופ' בורנשטיין מוסיף כי "לכל סוג של סיב יש חיידקים מסוימים שניזונים ממנו ויודעים לפרק אותו. בשנים האחרונות נעשו מחקרים רבים על הקשר ההדדי בין חיידקי המעי לתזונת המארח, אך עד היום התקשו החוקרים להראות מתאם ברור והדוק בין הרכב חיידקי המעיים לבין סוגי הסיבים המצויים בתזונה של המארח. אנחנו ביקשנו לתת מענה לסוגיה, ונעזרנו לשם כך בשיטות חישוביות המבוססות על נתוני עתק".

החוקרים השתמשו במאגרי מידע גדולים מכל העולם, המכילים נתונים על הרכב אוכלוסיית החיידקים במעיים של אוכלוסיות מגוונות, וזאת על פי DNA המופק מדגימות צואה פשוטות. על סמך הנתונים הללו הם פיתחו אלגוריתם חישובי שמשייך כל סוג של חיידקים לסוג הסיבים המפורק על ידו, ומחשב לכל דגימת מיקרוביום פרופיל פירוק סיבים (אשר עבורו תבעו החוקרים מונח חדש: IFDPי- Inferred Fiber Degradation Profile).

בעזרת פרופיל פירוק סיבים זה, הוכיחו החוקרים מתאם גבוה בין קהילת החיידקים להרגלי התזונה של המארח. לדבריהם, המתאם מוסבר בכך שחיידקים שמפרקים סוג סיבים מסוים משגשגים כשהמארח אוכל מזון עשיר בסיב זה. כך למעשה, האלגוריתם מאפשר לאפיין את התזונה של אדם, בעל חיים, או קבוצה מסוימת על פי ניתוח המיקרוביום שלהם.

במסגרת המחקר השתמשו החוקרים באלגוריתם לפיענוח נתוני המיקרוביום של מספר אוכלוסיות של בני אדם ובעלי חיים ברחבי העולם והראו כיצד הרכב המיקרוביום משקף באופן מדויק את הרגלי התזונה של אותן קהילות.

כך למשל, האלגוריתם זיהה הבדל משמעותי בין המיקרוביום של פרימטים (קופי אדם) אוכלי עלים, לבין זה של פרימטים שתזונתם עשירה יותר וכוללת פירות וחרקים. אצל אוכלי העלים נשלט המיקרוביום באופן מובהק על ידי חיידקים המפרקים תאית, שהיא מרכיב עיקרי של עלים; ואילו המיקרוביום של אוכלי הפירות התאפיין ביכולת לפרק סיבים רבים בהתאם לתזונה המגוונת שלהם.

בצורה דומה, השוואה בין שני שבטים שחיים באזורים שונים של פרו העלתה מתאם גבוה בין הרגלי התזונה למיקרוביום. המיקרוביום של אנשי שבט מאטסס (Matses), שניזונים בעיקר מפלאטנו (סוג של בננה), דגים וקסאבה, התאפיין בחיידקים המפרקים את הסיבים המתאימים. לעומתם, במעיהם של בני שבט טונפוקו (Tunapuco), שאוכלים בעיקר תפוחי אדמה, תירס ואורז, נמצאו חיידקים שמפרקים סיבים המצויים במזונות אלה.

בדיקת נתוני המיקרוביום של שבט ציידים-לקטים בשם הדזה (Hadza), שחי בטנזניה, העלתה ממצאים מעניינים. תזונתם של אנשי השבט משתנה במהלך השנה: בעונה היבשה הם ניזונים בעיקר מבשר ומפירות עץ הבאובב ואילו בעונה הגשומה הם צורכים כמות גדולה של פירות יער. האלגוריתם מצא שגם במקרה זה, המיקרוביום משקף את התזונה ומשתנה עם השינוי העונתי במזון.

פרופ' בורנשטיין: "האלגוריתם שפיתחנו מאפשר לנו להראות לראשונה עד כמה גבוה המתאם בין המיקרוביום לבין תזונת המארח. בכך הוא מאפשר 'תרגום' ישיר, שלא היה אפשרי עד כה, של מבנה המיקרוביום של אדם או אוכלוסיה מסוימת לפרופיל פירוק הסיבים של מיקרוביום זה ומכאן גם להרגלי התזונה של אותו פרט או אותה אוכלוסיה.

"אנו צופים שבעתיד עשויים ממצאים מסוג זה להביא תועלת גם בקליניקה, לצורך ייעוץ תזונתי לשיפור הרגליהם ובריאותם של בני אדם ברחבי העולם".