По мере того, как человеческий вид развивался в течение последних шести миллионов лет, наши резидентные микробы делали то же самое, приспосабливаясь к совершенно разным условиям на нашей коже, во рту, носу, гениталиях и кишечнике.
Группа ученых из Университета Дьюка проследила, как разворачивалась эта микробная эволюция, используя математические инструменты, изначально разработанные для геологов.
Ученые идентифицировали микробы, которые дивергировались в новые виды, поскольку они колонизировали одну область тела за другой. Их исследование предлагает новый взгляд на сложные микробные данные, чтобы понять эволюцию бактерий, связанных с нашим телом.
Исследование, опубликованное в журнале eLife с открытым доступом, может предложить новые теории и методы лечения этих бактериальных сообществ, известных под общим названием человеческий микробиом, для улучшения нашего личного здоровья.
«За последнее десятилетие был проявлен значительный интерес к разработке пробиотиков и трансплантации полезных бактерий для лечения широкого спектра проблем со здоровьем», - сказал Лоуренс А. Дэвид, доктор философии, старший автор исследования. и доцент кафедры молекулярной генетики и микробиологии Медицинской школы Университета Дьюка. «Наш анализ дает нам представление о том, как различные бактерии адаптируются и развиваются, чтобы мы могли более эффективно предсказывать, какие имплантированные виды выживут и окажут влияние на болезнь».
Только недавно ученые начали осознавать, насколько наше здоровье зависит от триллионов бактерий, обитающих в нашем теле. Теперь мы знаем, что эти бактерии помогают переваривать пищу, которую мы едим, улучшают работу нашего мозга и регулируют нашу иммунную систему. Но выяснить, как наши бактерии, которые, по некоторым данным, превосходят по численности наши собственные клетки в десять раз, оказались особенно сложными.
Ученые обычно собирают информацию о микробиоме, беря образцы нескольких миллионов бактерий - скажем, из кишечника или миндалин - и секвенируя их, чтобы подсчитать, какие бактерии принадлежат к каждому виду. Затем они сравнивают эти подсчеты, генерируя значения, которые говорят им об относительной распространенности каждого типа ошибки. Но данные об относительной численности требуют статистических методов, учитывающих, как сдвиги в одном виде могут повлиять на другой.
Джастин Сильверман, студент MD-PhD в лаборатории Дэвида, искал в литературе возможные обходные пути и нашел один в неожиданном месте - в области геологии. Чтобы понять относительное количество различных элементов, таких как кальций и алюминий, обнаруженных в горных породах, геологи разработали математический инструмент, называемый преобразованием PhILR. Сильверман адаптировал этот инструмент для изучения относительного количества бактерий, обнаруженных в микробиоме.
Новая методика объединила подсчет секвенирования для каждого вида с информацией об их положении на генеалогическом древе бактерий. Полученная статистическая структура выглядит как мобиль, который вы можете найти висящим над детской кроваткой, с общим предком наверху и всеми последующими поколениями подвешенными внизу, соединенными серией поперечин. Глядя на то, как эти перекладины наклоняются и качаются под весом различных видов, свисающих с их кончиков, Сильверман и его коллеги смогли оценить, как микробные сообщества росли и развивались в разных частях тела..
«Этот метод открывает огромный набор статистических методов, которые раньше не работали, но теперь их можно использовать для анализа данных микробиома», - сказал Сильверман.
Сильверман использовал эту структуру для изучения данных проекта «Микробиом человека» и обнаружил, что различные микробы эволюционировали, чтобы адаптироваться к окружающей среде, такой как наша кожа и рот. Например, они обнаружили группу стрептококковых бактерий, которые сравнительно недавно дивергировались в разные области ротовой полости. Наше небо, язык, горло, миндалины, десны - даже налет на наших зубах - в каждом из них живет свой собственный вид бактерий. Такие результаты могут помочь исследователям определить, как разные гены позволяют микробам адаптироваться к тому или иному месту, и однажды могут привести к новым методам лечения, формирующим микробиом.
Исследователи считают, что их метод можно применять практически в любой ситуации, когда используются высокопроизводительные технологии для измерения состава образца, от генетического состава опухоли до штаммов вируса гриппа.