Триллионы крошечных микробов и бактерий живут в вашем кишечнике, каждый со своим собственным набором генов. Эти кишечные микробы могут оказывать как полезное, так и вредное воздействие на ваше здоровье, от защиты от воспаления до вызывания опасных для жизни инфекций. Чтобы не допустить проникновения патогенов и в то же время стимулировать рост полезных микробов, ученые пытались найти способы воздействовать на определенные микробные гены.
Кэтрин Поллард, доктор философии, является одним из таких ученых. Ее команда из Института Гладстона заинтересована в лучшем понимании того, как микробы колонизируют кишечник. Они хотят определить гены, которые помогают микробам проходить через суровую среду желудка и выживать в нижних отделах желудочно-кишечного тракта.
«До сих пор это было непросто», - объясняет Поллард, старший исследователь и директор Гладстонского института науки о данных и биотехнологии. «Большинство кишечных микробов произошли от родственных видов, поэтому у них много общих генов. Трудно выделить гены, которые действительно влияют на способность микроба выживать в кишечной среде».
Новое исследование, опубликованное в научном журнале PLOS Computational Biology под руководством Патрика Брэдли, научного сотрудника лаборатории Полларда, обнаружило новый подход к идентификации генов, которые могут быть важны для успешного существования микробов в кишечнике человека..
Старый метод раскрывает новые идеи
Микробы, которые колонизируют человеческое тело, могут быть трудны для изучения с использованием традиционных экспериментальных методов, и не только из-за их огромного количества. Учитывая, что у ученых нет инструментов для выращивания и изучения многих видов микробов в лаборатории, идентификация их генов требует много труда и времени.
Новые вычислительные методы и секвенирование ДНК позволяют определить, какие микробы обычно присутствуют в кишечнике человека и какие гены находятся в геномах микробов. Однако исследователи из Гладстона показали, что простое изучение генов, общих для кишечных микробов, без учета общего происхождения микробов, может привести ко многим ложным открытиям.
Чтобы избежать подобных ловушек, они нашли новый подход к решению проблемы. Брэдли применил технику, называемую филогенетическим линейным моделированием, которая часто используется в экологии, но редко в геномике.
«С помощью этого метода мы используем информацию из эволюционного дерева, которое отображает исторические отношения между различными видами», - объяснил Брэдли. «Мы были первыми, кто напрямую применил этот метод к метагеномным данным, полученным из коллективного генетического материала микробов, присутствующих в организме человека."
Команда использовала этот подход для анализа общедоступных данных от сотен людей в промышленно развитых странах. В результате Брэдли и Поллард обнаружили тысячи генов у разных видов, которые преобладают в кишечнике. Они также искали и нашли у микробов гены, которые на самом деле более распространены в кишечнике, чем в других частях тела, предполагая, что эти гены могут быть специфическими для этой среды. Исследователи считают, что обнаруженные ими гены могут помочь микробам колонизировать кишечник, например, позволяя микробам выживать в кислой среде, например, в желудке.
Кроме того, ученые использовали тот же метод, чтобы сравнить кишечные микробы в здоровом и болезненном состоянии. Они обнаружили гены, связанные с бактериями, которые чаще встречаются у пациентов с болезнью Крона, чем у здоровых пациентов.
«При болезни Крона некоторые бактерии с противовоспалительными свойствами истощаются», - сказал Брэдли.«Если мы сможем идентифицировать гены, которые улучшают колонизацию кишечника, особенно у людей с болезнью Крона, то в будущем мы потенциально сможем помочь лечить пациентов, создав новые версии этих противовоспалительных бактерий, которые будут лучше выживать в этой среде».
Первый шаг к улучшению здоровья кишечника
Новый вычислительный подход, разработанный Поллардом и Брэдли, может привести к разработке новых методов лечения для поддержания или улучшения здоровья кишечника.
«Если мы хотим нацелиться на отдельные микробные гены, нам сначала нужно понять роль, которую они играют в колонизации кишечника», - сказал Поллард, который также является профессором Калифорнийского университета в Сан-Франциско и исследователем Chan Zuckerberg Biohub. «Это может открыть возможности для разработки лучших пробиотиков или предотвращения проникновения в кишечник вредных патогенов, таких как C. difficile».
Этот метод использует идеи из многих областей, включая биоинформатику, микробную экологию и эволюцию, биохимию, биостатистику и изучение микробиома человека. Его также можно применять для идентификации генов, связанных с микробами в других средах, помимо кишечника человека.
«Наше исследование показывает, что, используя методы, учитывающие эволюционные отношения между микробами, мы можем предсказывать гены, которые могут быть важны в конкретной среде, с гораздо большей точностью, чем позволяют стандартные модели», - сказал Брэдли. «Мы надеемся, что другие ученые поймут, что могут извлечь гораздо больше из уже имеющихся данных, используя наш подход».
Поллард и Брэдли в настоящее время работают над созданием веб-инструмента, который позволит другим ученым, особенно биологам, работающим в лабораторных условиях, которые могут не иметь необходимого внутреннего опыта, загружать свои собственные данные и использовать этот новый вычислительный метод для получения полезные результаты.
Стивен Найфах из отдела экологической геномики и системной биологии Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли также принимал участие в этом исследовании. Исследование финансировалось Национальным научным фондом, Фондом Гордона и Бетти Мур и Институтами Гладстона.