Људска црева: Сојеви су кључ доброг здравља

Сваког дана се мењају милијарде бактерија које насељавају ваш систем за варење; храна коју једете, лекови које узимате и клице којима сте изложени чине да неке бактерије цветају више од других. Научници знају да је ова равнотежа цревних микроба која се стално мења повезана са вашим здрављем и болешћу, али су се борили да одреде шта чини једну микробну равнотежу бољом од друге.      

Током протекле деценије, научници су генерално описали микробиом особе – колекцију микроба који се налазе у људским цревима – карактеришући које врсте бактерија су присутне и у којим количинама. Група истраживача на челу са др Кејти Полард са Института Гледстон објавила је две нове студије које сугеришу да праћење сојева бактерија - а не само врста - може пружити бољи увид у микробиом.

Сојеви бактерија су помало попут пасмина паса или сорти парадајза - делови исте врсте, али се разликују једни од других.

У једној студији објављеној у часопису Натуре Биотецхнологи, Полардова лабораторија је сарађивала са др Степхеном Наифацхом, научним научником на Институту за заједнички геном америчког Министарства енергетике, на развоју нове рачунарске методе за анализу сојева бактерија присутних у узорку микробиома. брже и приступачније од постојећих технологија. Нови приступ, каже Полард, омогућиће истраживачима да изврше веће и прецизније анализе микробиома него икада раније.

У посебном раду објављеном на интернету у Геноме Ресеарцх, Поллард је сарађивао са лабораторијама др Бењамина Гоода и др Мајкла Снајдера на Универзитету Станфорд како би пратио сојеве бактерија присутних у микробиому једне особе у 19 различитих временских тачака током 5- месец дана, укључујући пре и после курса антибиотика. Открили су да је у неким случајевима обиље врсте бактерија остало константно између временских тачака, али су се сојеви унутар те врсте драматично променили.

Остваривање смисла микробиома

Унутар вашег црева, бактерије вероватно раде више од само варења хране. Заиста, студије су показале да људи са различитим болестима као што су инфламаторна болест црева, астма, аутизам, дијабетес и рак имају различите бактерије у свом пробавном систему у поређењу са здравим људима. Али неколико третмана усмерених на микробиом је произашло из ових запажања до сада.

Пошто свака бактерија има свој генетски код, научници се ослањају на секвенцирање ДНК да би открили које бактерије насељавају микробиом било које особе. Али анализа ДНК секвенци је тешка због величине и сложености података. Иако истраживачи могу да користе постојеће методе да одреде које врсте су присутне, оне пружају само део слике о разноликости и функцији микробиома. То је зато што различити сојеви у једној врсти бактерија могу имати значајне генетске разлике, које су често довољно велике да изазову различита понашања.

До сада је идентификација генетских разлика у узорку микробиома захтевала рачунарску снагу високих перформанси и складиштење у облаку – нешто што није било доступно већини лабораторија. Истраживачи су морали да упореде милионе фрагмената ДНК из генома хиљада бактерија присутних у микробиому са базом података са секвенцама сваког познатог микроорганизма, користећи технику познату као поравнање секвенци.

Поллард и њене колеге су знали да су дуги делови секвенци генома уобичајени међу многим бактеријским врстама или сојевима. Дакле, ове секвенце се не могу користити да помогну у одређивању специфичног бактеријског соја. Инспирисан приступима који анализирају само најваријабилније регионе људског генома, тим је одлучио да пронађе минималну количину информација о секвенци коју би морали да издвоје из података о микробиому да би идентификовали које сојеве садржи.

Истраживачи су анализирали преко 100,000 јавно доступних и висококвалитетних генома из приближно 900 врста бактерија које се обично налазе у људским цревима. Открили су 104 милиона кратких низова ДНК у бактеријским геномима који се најчешће разликују између сојева бактерија. Затим су користили ове информације да дизајнирају нови алгоритам, назван ГеноТипер за прокариоте (ГТ-Про), који претражује податке секвенце микробиома за тачна подударања са кључним низовима који делују као идентификатори за бактеријске сојеве. За разлику од претходних метода поравнања секвенци, ГТ-Про се уклапа у меморију лаптопа и не захтева рачунарство високих перформанси и кредите у облаку.

Област истраживања је раније била ограничена чињеницом да само неколико лабораторија широм света има новац или компјутерски хардвер да анализира податке о микробиому при резолуцији сојева.

Пре и после антибиотика

Једно од питања на које истраживачи микробиома покушавају да одговоре последњих година јесте колико се микробиом мења у телу једне особе током времена. Ово питање је обрађено на нивоу врсте; научници су пратили како се састав врста микробиома људи мења заједно са исхраном, болестима или променама животне средине. Али резултати нису успели да објасне како микробиом добија нове функције, као што је отпорност на антибиотике или способност да инактивира лекове за хемотерапију, када састав врста остаје стабилан из месеца у месец.

Полард и њене колеге желеле су да се упусте у ово питање на дубљем нивоу, анализирајући како се сојеви бактерија, а не само врсте, мењају током времена. Прерадили су метод дизајниран за секвенцирање појединачних људских ћелија и користили га за баркодирање бактеријских ДНК молекула. Ово је омогућило групи да прати појединачне сојеве бактерија код једне особе током петомесечне студије.

Тим је секвенцирао микробиом здраве особе отприлике једном недељно током 5 месеци. Током тог временског периода, субјекту је изненађујуће дијагностикована Лајмска болест и примио је двонедељни курс антибиотика - за које се зна да елиминишу многе врсте бактерија, укључујући и оне које живе у људским цревима.

У неким случајевима, ово је било тачно - одређене врсте и сојеви микроба били су изузетно отпорни, присутни са скоро непромењеним геномима на почетку и на крају периода од 5 месеци. Али у другим случајевима, сојеви присутни након антибиотика били су генетски различити од оних на почетку, иако се бројност врста није променила. Важно је да би ове разлике биле пропуштене да је тим анализирао само врсте присутне у сваком узорку микробиома.

Иако ГТ-Про алгоритам још није био доступан за коришћење у овој студији, Полард каже да би сличне будуће студије учиниле много лакшим - и јефтинијим - за спровођење.

Уцртавање новог пута за проучавање микробиома

Бактерије у вашем телу су као џунгла — живи екосистем који се мења са организмима који коегзистирају у деликатној равнотежи. Када посматрају сателитске слике одозго, еколози могу да прате најдубље, драстичне промене у џунгли, али ће пропустити финије замршености које обликују животну средину.

Слично, они који проучавају микробиом посматрајући како се врсте мењају, добијају поглед на мрежу на високом нивоу и виде само најочигледније везе са здрављем и болешћу. Али са ГТ-Про и новим погледом на сојеве микроба, каже Полард, нове везе ће постати очигледне.