Пищеварительный тракт человека является домом для тысяч различных штаммов бактерий. Многие из них полезны, в то время как другие способствуют проблемам со здоровьем, таким как воспалительное заболевание кишечника. Исследователи из Массачусетского технологического института и Института Броуда в настоящее время выделили и сохранили образцы почти 8000 этих штаммов, а также выяснили их генетический и метаболический контекст.
Этот набор данных (BIO-ML), который доступен другим исследователям, которые хотят его использовать, должен помочь пролить свет на динамику микробных популяций в кишечнике человека и может помочь ученым разработать новые методы лечения Разнообразие болезней, говорит Эрик Алм, директор Центра микробиомной информатики и терапии Массачусетского технологического института и профессор биологической инженерии, а также инженерии гражданского и экологического строительства в Массачусетском технологическом институте.
«В области микробиома много интересного, потому что существуют ассоциации между этими бактериями, здоровьем и болезнями. Но нам не хватает возможности понять, почему это так, каков механизм и каковы функции. тех бактерий, из-за которых они ассоциируются с болезнями», - говорит Альм, старший автор исследования.
Исследователи собирали образцы стула примерно у 90 человек в течение двух лет, что позволило им получить представление о том, как со временем меняются микробные популяции у отдельных людей. Это исследование было сосредоточено на людях, живущих в районе Бостона, но исследовательская группа в настоящее время собирает большее разнообразие образцов со всего мира в надежде сохранить микробные штаммы, не встречающиеся у людей, живущих в промышленно развитых обществах.
Более, чем когда-либо прежде, современные методы позволяют нам изолировать ранее некультивируемые кишечные бактерии человека. Изучение этого генетического и функционального разнообразия увлекательно - куда бы мы ни посмотрели, мы открываем новые вещи. Я убежден, что обогащение биобанков «Большое разнообразие штаммов от людей, ведущих разный образ жизни, имеет важное значение для будущих достижений в исследованиях микробиома человека», - говорит Матильда Пойет, старший постдоктор Массачусетского технологического института и один из ведущих авторов исследования..
Научный сотрудник Массачусетского технологического института Матьё Груссен и бывший постдоктор Шон Гиббонс также являются ведущими авторами исследования, опубликованного в выпуске журнала Nature Medicine от 2 сентября. Рамник Ксавье, профессор медицины Гарвардской медицинской школы и член Института Броуда, является ведущим автором исследования вместе с Алмом.
Динамика микробиома
У людей есть триллионы бактериальных клеток в пищеварительном тракте, и, хотя ученые считают, что эти популяции меняются и развиваются с течением времени, у них было мало возможностей наблюдать это. Через организацию OpenBiome, которая собирает образцы стула для исследовательских и терапевтических целей, Алм и его коллеги из Массачусетского технологического института и Института Броуда получили доступ к образцам фекалий примерно 90 человек.
Большую часть своего анализа исследователи сосредоточили на микробах, обнаруженных примерно у дюжины человек, которые предоставляли образцы в течение длительного периода времени, вплоть до двух лет.
«Это была уникальная возможность, и мы подумали, что это будет отличный набор людей, которые действительно попытаются раскопать и более тщательно охарактеризовать микробные популяции», - говорит Альм. «На сегодняшний день не было тонны лонгитюдных исследований, и мы хотели сделать это ключевым направлением нашего исследования, чтобы мы могли понять, каковы изменения изо дня в день."
Исследователи смогли выделить в общей сложности 7 758 штаммов из шести основных типов бактерий, которые преобладают в желудочно-кишечном тракте человека. Для 3 632 из этих штаммов исследователи секвенировали их полные геномы, а также частичные геномы остальных штаммов.
Анализ того, как микробные популяции менялись с течением времени в пределах одного хозяина, позволил исследователям обнаружить некоторые новые взаимодействия между штаммами. В одном случае исследователи обнаружили, что внутри хозяина сосуществуют три родственных штамма Bacteroides vulgatus, и все они, по-видимому, произошли от одного предкового штамма внутри хозяина. В другом случае один штамм Turicibacter sanguinis почти за одну ночь полностью заменил родственный штамм того же вида.
"Это первый раз, когда мы видим эту действительно разную динамику", - говорит Альм.
Изменчивость населения
Исследователи также измерили количество многих метаболитов, обнаруженных в образцах стула. Этот анализ показал, что вариации уровней аминокислот были тесно связаны с изменениями микробных популяций с течением времени у одного человека. Однако различия в составе микробных популяций у разных людей были более тесно связаны с разным уровнем желчных кислот, которые помогают пищеварению.
Исследователи не знают точно, что вызывает эти различия в уровнях аминокислот и желчных кислот, но говорят, что на них может влиять диета - связь, которую они надеются исследовать в будущих исследованиях. Они также сделали все свои данные доступными в Интернете и предлагают образцы выделенных ими штаммов бактерий, что позволяет другим ученым изучать функции этих штаммов и их потенциальную роль в здоровье человека.
Обширные коллекции бактериальных изолятов с высоким разрешением открывают возможность механистического исследования того, как наш образ жизни формирует микробиом кишечника, метаболизм и воспаление. Мы стремимся предоставить такой ресурс исследовательскому сообществу по всему миру, в том числе научно-исследовательским институтам с низким доходом», - говорит Груссен.
Исследователи также начали крупномасштабный проект по сбору образцов микробиома из самых разнообразных групп населения по всему миру. Особое внимание они уделяют недопредставленным группам населения, живущим в неиндустриальных обществах, поскольку ожидается, что их диета и микробиомы будут сильно отличаться от таковых у людей, живущих в промышленно развитых обществах.
Возможно, по мере того, как население, ведущее традиционный образ жизни, начинает переключаться на более индустриализированный образ жизни, оно может потерять большую часть своего биоразнообразия. а позже мы можем вернуться и охарактеризовать его», - говорит Альм.