Undersøgelse:Interaktioner mellem mikrober i mave -tarmsystemet har store sundhedsvirkninger

De interaktioner, der finder sted mellem de arter af mikrober, der lever i mave -tarmsystemet, har ofte store og uforudsete virkninger på sundheden, ifølge nyt arbejde fra et team ledet af Carnegies Will Ludington. Deres resultater offentliggøres i denne uge i Procedurer fra National Academy of Sciences .

Tarmmikrobiomet er et økosystem med hundreder til tusinder af mikrobielle arter, der lever i menneskekroppen. Den store mangfoldighed i den menneskelige tarm udgør en udfordring for at katalogisere og forstå, hvilken effekt disse samfund har på vores helbred.

Biologer er især interesserede i at afgøre, om mikrobiomet som helhed er større end summen af ​​dets dele. Med andre ord, i hvilket omfang påvirker de enkelte arter vores sundhed og fysiologi, og i hvilken grad bestemmes disse påvirkninger af interaktioner mellem arterne i vores mikrobiomer?

Ludington og hans team-herunder molekylære biologer Alison Gould, Vivian Zhang, og Benjamin Obadia fra University of California Berkeley; fysikerne Eric Jones og Jean Carlson fra University of California Santa Barbara; og matematikere Lisa Lamberti, Nikolaos Korasidis, og Niko Beerenwinkel fra ETH Zürich og Alex Gavryushkin fra University of Otago-brugte det naturligt simple mikrobiom af frugtfluer til omfattende at afsløre tarmøkosystemet. Teamet fandt ud af, at interaktionerne mellem arter i tarmmikrobiomet påvirker fluesundhed og endda lang levetid.

"Den klassiske måde, vi tænker på bakteriearter, er i en sort-hvid sammenhæng som sygdomsagenter-enten har du det, eller det gør du ikke, "Sagde Ludington." Vores arbejde viser, at det ikke er tilfældet for mikrobiomet. Virkningen af ​​en bestemt art afhænger af den kontekst, som andre arter også er til stede. "

Det har længe været kendt fra frugtflueforsøg, at bestande af tarmbakterier kan påvirke deres værts udvikling, frugtbarhed, og levetid. I 1927, Helen Steinfeld fra UC Berkeley fandt ud af, at ved simpelthen at fjerne tarmbakterierne fra hendes laboratories frugtfluer, hun kunne forlænge deres levetid med 14 procent.

Ludingtons team gentog forsøget og fandt en lignende 23 procent forlængelse af levetiden, da de fjernede deres flues særlige mikrobiomer. Men det var uklart for dem, hvor meget af denne indflydelse der skyldtes de enkelte arter, der var til stede, og hvor meget der skyldtes deres samlede mikrobielle økologi.

Ludington og hans team byggede videre på Steinfelds arbejde med at dissekere mikrobiomet fra frugtfluetarm og bedre forstå, hvordan disse mikroorganismer former deres insektværts liv.

De udviklede et system til kortlægning af alle mulige interaktioner mellem de fem bakteriearter, der findes i fluetarmen for at se, hvordan de påvirkede et insekts udvikling, produktion af afkom, og levetid, som kombineres for at bestemme dens egnethed. Analysen af ​​interaktionerne krævede udvikling af nye matematiske tilgange, som er baseret på geometrien i en femdimensionel terning, hvor hver art er en ny dimension.

Teamet fandt ud af, at de interaktioner, der finder sted mellem de mikrobielle populationer, er lige så vigtige for fluens fysiologi som de enkelte arter er til stede. Med hensyn til ændringen i levetiden på 23 procent, enkelte arter kan kun tegne sig for en fjerdedel af effekten, mens interaktioner tegner sig for resten. Disse interaktioner har stor indflydelse på nogle, men ikke alle, af de faktorer, der bestemmer en flues sandsynlighed for at overføre sit genetiske materiale til en ny generation.

"Da vi undersøgte alt hvad vi kalder en flues fitness-det er chancer for at overleve og skabe afkom-fandt vi ud af, at der var en afvejning mellem at have en kort levetid med masser af afkom, kontra at have en lang levetid med få afkom, "Ludington forklarede." Denne afvejning blev medieret af mikrobiominteraktioner. Det betyder, at hvis vi vil forstå, hvordan mikrobiomet påvirker vores helbred, vi har brug for at udvikle en forudsigelig forståelse af, hvordan kombinationer af bakterier påvirker værten, ikke kun den enkelte art. "

Derudover måle- og analyseværktøjerne, der er udviklet til dette forskningsprojekt, viser, at frugtfluen er en god model til at forstå mere komplekse mikrobiominteraktioner hos mennesker og andre dyr, hvilket vil være vigtigt for det fremtidige arbejde.

• Ny metode kan føre til bedre forståelse af komplekse interaktioner mellem tarmmikrober fra mennesker
• Etnicitet kan være en pålidelig indikator for tarmmikrobiotisk mangfoldighed