Микробное сообщество, населяющее человеческий организм, играет важную роль в здоровье и заболевании, но, за немногими исключениями, остается плохо изученным, как отдельные виды микробов влияют на здоровье и болезненные состояния. Новое исследование исследователя из Принстона Мохамеда Абу Дониа и его коллег, опубликованное в номере журнала Science от 13 декабря, дает ученым новые инструменты для изучения и понимания человеческого микробиома.
Идентичность и баланс видов бактерий на коже человека и слизистых оболочках влияет на различные болезненные состояния, от пищеварительных заболеваний до неприятного запаха изо рта, бактериального вагиноза и экземы. Микробиом также способствует развитию иммунитета и борьбе с патогенами. Однако человеческий микробиом невероятно разнообразен; сообщества бактерий, вирусов, грибков и других крошечных организмов различаются в зависимости от ткани, в которой они живут, а также в разных человеческих популяциях и отдельных людях. Неясно, что представляет собой нормальный, здоровый микробиом, не говоря уже о том, как можно восстановить баланс больного.
Общий подход к решению этой проблемы заключается в культивировании отдельного микроба в лаборатории и изучении его влияния на здоровье или болезненные состояния. К сожалению, может быть трудно идентифицировать и изолировать очень редкие виды или найти условия, необходимые для поддержки их роста за пределами их естественной ниши. Проделать это с каждым видом было бы непростой задачей. В качестве альтернативы ученые могут исследовать микробиом in situ с целью описания его отдельных компонентов и того, как они взаимодействуют между собой.
Микробы общаются и сражаются друг с другом и с человеческими клетками с помощью биологически активных малых молекул.
«Наша долгосрочная цель - определить химическое пространство человеческого микробиома», - объяснила Дония, доцент кафедры молекулярной биологии. Его группа намеревалась идентифицировать набор генов, которые производят такие химические вещества (называемый кластером биосинтетических генов, или BGC) непосредственно в клинических образцах. Это позволило бы ученым подслушать происходящий химический разговор и выяснить, кто и когда говорит.
Под руководством соавторов Юки Сугимото, научного сотрудника с докторской степенью, и аспирантки Франсин Камачо исследователи разработали компьютерные алгоритмы, которые могут обнаруживать BGC путем анализа и интерпретации данных метагеномного секвенирования. Данные метагеномного секвенирования состоят из генетических последовательностей, полученных из тканей или выделений сотен людей. Некоторые наборы метагеномных данных получены из клинических образцов, взятых из разных групп населения, включая людей с разным состоянием здоровья или заболеваний или людей из разных географических регионов. Необходим интенсивный анализ, чтобы понять богатую, но часто фрагментарную информацию, содержащуюся в этих наборах данных.
Подход, использованный Донией и его коллегами, начался с идентификации генов, необходимых для синтеза конкретной молекулы или интересующего химического вещества, затем с использованием вычислительных алгоритмов для сортировки метагеномных данных для аналогичных (гомологичных) генетических последовательностей и группировки этих последовательностей. фрагменты вместе. Затем они оценили распространенность каждой группы в популяции людей и использовали сгруппированные последовательности, чтобы собрать воедино полноразмерные BGC. Важно отметить, что этот подход позволил идентифицировать новые BGC, даже если они чрезвычайно редки.
Чтобы проверить этот подход, исследователи исследовали, могут ли они обнаружить BGC, участвующие в синтезе поликетидов типа II. Этот класс химических веществ, который включает противораковый препарат доксорубицин и несколько антибиотиков, ранее обнаруживался в почвенных бактериях, но никогда прежде не обнаруживался в бактериях человеческого микробиома.
«К нашему удивлению, мы обнаружили 13 таких кластеров генов, которые широко распространены в кишечном, ротовом и кожном микробиоме людей на всем пути от США до Фиджи», - сказал Дония. Чтобы проверить, действительно ли эти недавно идентифицированные BGC производят поликетиды типа II, исследователи выбрали два BGC и вставили их гены в бактерии, которые можно легко выращивать в лаборатории, а затем использовали масс-спектрометрию для обнаружения любых новых химических продуктов. Затем эти соединения очищали и тестировали на антибиотическую или противораковую активность.
«Две из пяти новых молекул, которые мы обнаружили, являются сильнодействующими антибиотиками, столь же мощными, как и их клинически используемые родственники, против соседних микробов в микробиоме полости рта, что раскрывает потенциальный механизм конкуренции за ниши и защиты от злоумышленников и патогенов», - сказал Дония.. Идентификация новых антибиотиков важна, потому что патогены развивают устойчивость к антибиотикам, которые в настоящее время используются в клинической практике. Потребуется дополнительная работа, чтобы обнаружить биологическую активность трех других молекул и роль всех пяти в здоровье или болезни человека. Такие исследования могут открыть новые пути взаимодействия между микробами или между микробиомом и человеком-хозяином.
С помощью этой технологии теперь можно добывать наши собственные микробиомы для открытия лекарств или новых биологических взаимодействий. Какие еще сокровища может открыть этот тип анализа? Как заметила Дония, «это был только один клинически важный класс молекул, за которым мы охотились - впереди еще десятки, и мы даже не можем предсказать, что мы обнаружим!»