В пищеварительном тракте человека существуют триллионы бактерий, и эти сообщества состоят из сотен или даже тысяч видов. Состав этих групп населения может сильно различаться от человека к человеку, в зависимости от таких факторов, как диета, воздействие окружающей среды и история болезни.
Новое исследование микробных популяций червей предлагает еще один фактор, который может способствовать такому изменению: случайность.
Исследователи Массачусетского технологического института обнаружили, что, когда они помещали генетически идентичных червей в идентичные условия и кормили их одной и той же пищей, у червей развивались очень разные популяции бактерий в их кишечнике, в зависимости от того, какие бактерии оказались там первыми.
Это исследование показывает, что неоднородность может быть вызвана случайностью первоначального события колонизации. Это не значит, что неоднородность между любыми двумя людьми должна быть обусловлена этим, но это потенциальный источник, который часто пренебрегают, когда думают об этом варианте», - говорит Джефф Гор, адъюнкт-профессор физики в Массачусетском технологическом институте по развитию карьеры семьи Латам.
Гор является старшим автором исследования, опубликованного в номере журнала PLOS Biology от 3 марта. Ведущий автор статьи - постдоктор Массачусетского технологического института Николь Вега.
Простая модель
Было показано, что изменения в микробиоме кишечника человека способствуют желудочно-кишечным расстройствам, таким как колит и болезнь Крона, и исследования показывают, что состав микробиома также может влиять на диабет, болезни сердца и рак.
«Мы знаем, что кишечные сообщества различаются у разных людей, и что это может иметь действительно важные последствия для здоровья и болезней, но часто бывает трудно выяснить происхождение этого разнообразия у разных людей», - говорит Гор.
Исследователи решили изучить червя C. elegans, потому что это одно из простейших животных с пищеварительным трактом, колонизированным бактериями, что дает возможность смоделировать то, что может происходить в кишечнике человека.
То, что вы хотели бы сделать, это взять группу идентичных особей, поместить их в одинаковую среду, а затем посмотреть, одинаковы ли микробные сообщества или разные. Это очень трудный эксперимент для людей., но с модельными организмами это возможно», - говорит Гор.
С. elegans потребляют бактерии как часть своего обычного рациона, поэтому исследователи сначала кормили группу генетически идентичных червей смесью из шести различных видов бактерий. Когда эксперимент начался, в пищеварительном тракте червей не было бактерий, но после того, как они подверглись воздействию одинаковой бактериальной диеты, каждый червь произвел в своем кишечнике очень разные популяции микробов.
Исследователи исследовали это дальше, кормя червей смесью только двух типов бактерий, что облегчило изучение их взаимодействия. В этом сценарии все бактерии представляли собой кишечную палочку, но половина из них была сконструирована таким образом, чтобы производить зеленый флуоресцентный белок, а другая половина производила красный флуоресцентный белок.
После недели такой диеты в пищеварительном тракте каждого червя было около 30 000 бактерий. Однако эти популяции не были равномерно разделены между красными и зелеными. Вместо этого в каждой популяции доминировал тот или иной. Это происходит, говорит Гор, потому что первоначальная колонизация кишечника - редкое событие, поэтому тот микроб, который попадает туда первым, имеет тенденцию доминировать над всей популяцией.
«Каким бы цветным бактериям ни повезло, и они выжили, будучи съеденными, и прилипли к кишечнику, эта бактерия начинает расти и может расти, чтобы доминировать в кишечном сообществе», - говорит он.
Эта случайность имеет тенденцию преобладать, когда скорость колонизации низка. Когда исследователи скормили червям большее количество бактерий, скорость колонизации увеличилась, и исследователи обнаружили гораздо меньше различий между популяциями микробов.
Забытый источник
Исследователи также обнаружили тот же эффект, когда скармливали червям два разных вида бактерий: Enterobacter aerogenes и Serratia marcescens.
Гор говорит, что эта случайная изменчивость может способствовать различиям в популяциях микробов, наблюдаемых и в кишечнике человека, поскольку обычно лишь небольшая часть бактерий, потребляемых людьми и другими животными, выживает в процессе пищеварения. Однако многие другие факторы, такие как воздействие окружающей среды, также играют роль, говорит он.
«Я не считаю, что стохастическая колонизация является единственным или доминирующим источником неоднородности между людьми, но я думаю, что это источник неоднородности, который часто упускают из виду», - говорит Гор.
В настоящее время его лаборатория изучает множество различных пар видов бактерий в кишечнике червей, чтобы выяснить, можно ли использовать результат конкуренции между двумя видами для прогнозирования результата, когда конкурируют три или более видов.