За последнее десятилетие ученые добились огромного прогресса в понимании того, что группы бактерий и вирусов, которые естественным образом сосуществуют в организме человека, играют важную роль в некоторых жизненно важных функциях, таких как пищеварение, обмен веществ и даже в борьбе с болезнями. Но понять, как они это делают, остается вопросом.
Исследователи из Университета Дрекселя надеются помочь ответить на этот вопрос с помощью умного сочетания высокопроизводительного генетического секвенирования и компьютерных алгоритмов обработки естественного языка. Их исследование, которое недавно было опубликовано в журнале PLOS ONE, сообщает о новом методе анализа кодов, найденных в РНК, который может очертить микробные сообщества человека и показать, как они работают..
Большая часть исследований микробной среды человека, или микробиома, была сосредоточена на выявлении всех различных видов микробов. И зарождающаяся разработка методов лечения болезней, связанных с микробиотой, основана на идее, что дисбаланс или отклонения в микробиоме являются источником проблем со здоровьем, таких как расстройство желудка или болезнь Крона..
Но для правильного исправления этих дисбалансов ученым важно иметь более широкое представление о микробных сообществах в том виде, в каком они существуют - как в пораженных участках, так и по всему телу.
«На самом деле мы только начинаем понимать влияние микробиоты на здоровье», - сказала Гейл Розен, доктор философии, доцент Инженерного колледжа Дрекселя, которая была автором статьи.«Во многих отношениях ученые приступили к этой работе, не имея полной картины того, как выглядят эти микробные сообщества, насколько они распространены и как их внутренняя конфигурация влияет на их непосредственное окружение в организме человека».
Розен возглавляет Центр биологических открытий Дрекселя из больших данных, группу исследователей, которые применяют алгоритмы и машинное обучение, чтобы помочь расшифровать огромное количество информации о генетической последовательности, которая стала доступной за последние несколько лет. Их работа и аналогичные усилия по всему миру переместили исследования в области микробиологии и генетики из мокрой лаборатории в центр обработки данных, создав вычислительный подход к изучению взаимодействий и эволюции организмов, называемый метагеномикой..
В этом типе исследования сканирование образца генетического материала - ДНК или РНК - может быть интерпретировано для выявления организмов, которые, вероятно, присутствуют. Метод, представленный группой Розена, делает еще один шаг вперед, анализируя генетический код для выявления повторяющихся паттернов, что указывает на то, что определенные группы организмов - в данном случае микробы - встречаются вместе так часто, что это не совпадение.
«Мы называем этот метод «метагеномикой», потому что мы ищем повторяющиеся темы в микробиомах, которые являются индикаторами одновременно встречающихся групп микробов», - сказал Розен. «В организме живут тысячи видов микробов, поэтому, если вы подумаете обо всех перестановках групп, которые могут существовать, вы можете себе представить, насколько сложной задачей является определение того, какие из них живут в сообществе друг с другом. Наш метод использует алгоритм обнаружения закономерностей для работы над задачей, что экономит огромное количество времени и устраняет некоторые догадки."
Существующие методы изучения микробиоты, например кишечных бактерий, берут образец с участка тела, а затем изучают присутствующий генетический материал. По мнению авторов, этому процессу по своей сути не хватает важного контекста.
«Невозможно по-настоящему понять, что делают сообщества микробов, если мы сначала не понимаем масштабы сообщества и то, как часто и где еще они могут встречаться в организме», - сказал Стив Волошинек, доктор философии, и Стажер доктора медицинских наук в Медицинском колледже Дрекселя и соавтор статьи.«Другими словами, трудно разработать методы лечения, способствующие естественному сосуществованию микробов, если их «естественное состояние» еще не известно».
Получение полной карты микробных сообществ с помощью теметагеномики позволяет исследователям наблюдать, как они меняются во времени - как у здоровых людей, так и у страдающих заболеваниями. И наблюдение за различием между ними дает ключ к пониманию функции сообщества, а также освещает конфигурацию видов микробов, которая делает возможным это.
«Большинство методов метагеномики просто сообщают вам, какие микробы распространены - и поэтому, вероятно, важны, - но на самом деле они мало говорят вам о том, как каждый вид поддерживает других членов сообщества», - сказал Розен. «С помощью нашего метода вы получаете картину конфигурации сообщества - например, в нем могут быть E. coli и B. fragilis как наиболее распространенные микробы и в довольно равном количестве - что может указывать на перекрестное питание. В другом сообществе B. fragilis может быть самым многочисленным микробом, а многие другие микробы находятся в равном, но меньшем количестве, что может указывать на то, что они питаются тем, что производит B. fragilis, без какого-либо сотрудничества».
Одной из конечных целей анализа микробиоты человека является использование присутствия определенных микробных сообществ в качестве индикаторов для выявления таких заболеваний, как болезнь Крона, или даже конкретных видов рака. Чтобы протестировать свой новый метод, исследователи из Дрекселя сравнили его с аналогичными процедурами тематического моделирования, которые диагностируют болезнь Крона и рак ротовой полости путем измерения относительного количества определенных генетических последовательностей.
Метод тематической метагеномики оказался таким же точным в прогнозировании заболеваний, но он делает это намного быстрее, чем другие методы тематического моделирования - минуты по сравнению с днями - и также позволяет определить, какой вклад может внести каждый вид микробов в сообществе индикаторов к тяжести заболевания. С таким уровнем детализации исследователи смогут ориентироваться на определенные генетические группы при разработке целевых методов лечения.
Группа сделала свои инструменты анализа метагеномики общедоступными в надежде ускорить прогресс в лечении этих болезней.
Сейчас очень рано, но чем больше мы понимаем, как функционирует микробиом - даже просто зная, что группы могут действовать вместе, - тем мы можем изучать метаболические пути этих групп и вмешиваться в них или контролировать их., тем самым прокладывая путь для разработки лекарств и исследований в области терапии», - сказал Розен.
В дополнение к Розен и Волошинек, а также Чжэнцяо Чжао, доктор философии, из Департамента электротехники и вычислительной техники; Джошуа Мелл, доктор медицинских наук, из Медицинского колледжа Дрекселя; и Гидеон Симпсон, доктор философии, и Майкл О'Коннор, доктор философии, из Колледжа искусств и наук Дрекселя, приняли участие в исследовании.