Это ясно: крошечные бактерии, которые живут на нас и внутри нас, чрезвычайно важны для нашего здоровья и благополучия, влияя на все, от нашего настроения до риска аутизма. Но понять, как взаимодействуют эти множества микробов и как они влияют на здоровье человека, - гигантская задача, сродни подсчету песчинок на пляже.
Исследователи из Университета Вирджинии и их сотрудники, однако, разработали способ понять не только то, что происходит, но и почему. Объединив передовое компьютерное моделирование со старомодной лабораторной беготней, они разработали хрустальный шар, позволяющий предсказывать, как будут взаимодействовать микроорганизмы, и какие побочные эффекты будут иметь эти взаимодействия. Только поняв это, ученые могут надеяться манипулировать микробиомом, поскольку организмы известны под общим названием, для лечения болезней и улучшения здоровья человека.
«За последние несколько лет мы пришли к пониманию того, что бактерии, живущие в нас и на нас, имеют решающее значение для многих здоровых функций», - сказал исследователь Джейсон Папин, доктор философии. Но он отметил, что мы не знаем гораздо больше, чем знаем. Слишком часто ученые блуждают в темноте, особенно когда пытаются сконструировать микробиом так, чтобы он приносил пользу здоровью. «Большая часть того, что мы видим, очень коррелирует», - сказал Папен.«Мы видим присутствие бактерий. Чего действительно не хватало, так это реальных механизмов».
Новый подход, разработанный Папеном и его сотрудниками, изменит это.
В поисках неопровержимых фактов
Папин и аспирант в его лаборатории Грег Медлок хотели получить конкретную информацию: какие молекулы производятся конкретными бактериями? Какие бактерии затем используют эти молекулы? Каковы конечные последствия для популяций различных бактерий? Трудность заключалась в том, чтобы найти эти ответы в такой обширной и сложной системе.
Решение начиналось с малого. Как выразился Медлок, «вы должны сделать шаг назад».
First Medlock рассмотрел шесть видов бактерий по отдельности. Затем он посмотрел на их взаимодействие в парах - всего 15 пар. С помощью этих данных исследователи смогли разработать компьютерное моделирование. Цель состояла в том, чтобы иметь возможность предсказать, что произойдет: когда разные виды будут выращиваться вместе, будут ли молекулы, которые они производят и потребляют, соответствовать ожидаемым? Как эти взаимодействия повлияют на популяции каждого вида?
Затем исследователи вернулись к скамейке, чтобы подтвердить свои прогнозы. Результатом стали достоверные данные, которые являются одними из первых в своем роде и проливают свет на внутреннюю работу микробиома. Но важность исследования заключается не только в результатах, но и в подходе, который разработали ученые. Они называют это «экспериментальным и вычислительным конвейером», и он открывает двери для быстрых фактических исследований, изучающих множество различных аспектов микробиома. Это будет иметь огромные преимущества в стремлении манипулировать микробиомом для улучшения здоровья человека. Теперь, если ученые считают, что увеличение определенного типа бактерий было бы полезным, или хотят уменьшить количество вредных, они могут определить, как они могут это сделать. «Как только вы получите это знание, вы сможете вмешаться. Вы действительно сможете контролировать ситуацию», - сказал Папен. «По крайней мере становится возможным спроектировать систему».
Выводы опубликованы
Исследователи описали свой подход в научном журнале Cell Systems. Проект представлял собой результат сотрудничества Департамента биомедицинской инженерии Университета штата Калифорния (совместная программа Школы медицины и инженерии Университета штата Калифорния) с клиникой Мэйо и Имперским колледжем Лондона. Исследовательская группа состояла из Медлока, Морин А. Кэри, Денниса Дж. Макдаффи, Майкла Б. Манди, Натасы Джаллуру, Джонатана Р. Суонна, Глинис Л. Коллинг и Папина.
Работа выполнена при поддержке Национального института здравоохранения, гранты R01GM108501, T32LM012416 и T32GM008136.