Genomische Sequenzierungstechnik hilft, die Darmmikrobiota Zelle für Zelle zu verstehen

Eine Population von Mikroorganismen, die in unserem Darm leben, bekannt als Darmmikrobiota, spielt eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle unseres Stoffwechsels und der Verringerung des Risikos von Erkrankungen wie Fettleibigkeit und Diabetes.

Studien haben gezeigt, dass eine Möglichkeit, das Wachstum solcher nützlichen Mikroorganismen zu fördern und ihre Zusammensetzung für ein gesundes Gleichgewicht zu modulieren, darin besteht, bestimmte Formen von Ballaststoffen hinzuzufügen. wie Inulin, zu unserer Ernährung. Jedoch, von all den zig Billionen Mikroorganismen in der Darmmikrobiota, Es war schwierig zu bestimmen, welche und wie Mikroorganismen auf Ballaststoffe reagieren. Dies liegt daran, dass aktuelle Techniken auf der Verfügbarkeit von Referenzgenomen in DNA-Sequenzdatenbanken für eine genaue taxonomische Klassifizierung und genaue funktionelle Zuordnungen bestimmter Organismen beruhen. aber in Wirklichkeit Schätzungsweise der Hälfte der menschlichen Darmspezies fehlt ein Referenzgenom. Zusätzlich, vorhandene Techniken benötigen Stunden oder sogar Tage, um die Aufgabe zu erledigen.

Um dieses Problem anzusprechen, Wissenschaftler der Waseda University entwickelten eine neuartige Technik namens Single-Cell Amplified Genome in Gel Beads Sequencing (SAG-Gel). die mehrere Entwurfsgenome der Darmmikrobiota gleichzeitig bereitstellen und Bakterien identifizieren können, die auf Artenebene auf Ballaststoffe reagieren, ohne dass vorhandene Referenzgenome erforderlich sind. Was ist mehr, Der Vorteil dieser Technik besteht darin, dass es nur 10 Minuten dauert, um Entwurfsgenome aus Rohdaten der Gesamtgenomsequenzierung zu erhalten, da alle Daten ausschließlich von einzelnen Mikroben stammen. Dies beschleunigt die für den Prozess benötigte Zeit erheblich.

Unser neuer, Einzelzell-Genomsequenzierungstechnik kann jedes Bakteriengenom separat gewinnen und unkultivierte Bakterien mit spezifischen Funktionen in der Mikrobiota charakterisieren, und dies kann uns helfen, metabolische Abstammungslinien, die an der bakteriellen Fermentation von Ballaststoffen beteiligt sind, und metabolische Ergebnisse im Darm basierend auf den aufgenommenen Ballaststoffen abzuschätzen. Es führt eine verbesserte und effiziente Funktionsanalyse unkultivierter Bakterien im Darm ein."

Masahito Hosokawa, Assistenzprofessorin an der Fakultät für Naturwissenschaften und Ingenieurwissenschaften der Waseda Universität und korrespondierende Autorin dieser Studie

Was die Wissenschaftler taten, war, Mäusen zwei Wochen lang eine auf Inulin basierende Diät zu geben und mit der Technik einzelne Bakterienzellen, die in den Fäkalien der Mäuse gefunden wurden, zufällig in winzige Gelkügelchen einzufangen. Die Bakterienzellen wurden dann einzeln in den im Reagenzglas schwimmenden Gelkügelchen verarbeitet, und mehr als 300 einzellige amplifizierte Genome (SAGs), oder Genome eines einzelligen Organismus wie Bakterien, wurden durch massiv parallele Sequenzierung gewonnen. Da jede SAG im Durchschnitt aus Zehntausenden von Reads besteht, es ermöglicht eine äußerst kosteneffiziente Sequenzierung des gesamten Genoms von Zielzellen. Nach der Qualitätskontrolle und Klassifizierung der SAGs, Die Wissenschaftler stellten fest, welche Bakterien für den Abbau von Inulin und die Gewinnung von Energie verantwortlich sind.

„Nach unseren Ergebnissen die inulinreiche Ernährung erhöhte Aktivitäten durch die Bakteroiden Arten im Mäusedarm, " erklärt Hosokawa. "Auch, aus dem Entwurf des Genoms neu gefundener Bakteroiden Spezies, wir entdeckten den spezifischen Gencluster für den Abbau von Inulin und den spezifischen Stoffwechselweg für die Produktion spezifischer kurzkettiger Fettsäuren, ein Metabolit, der von der Darmmikrobiota produziert wird. Erkenntnisse wie diese werden Wissenschaftlern in Zukunft helfen, die metabolische Fermentation von Ballaststoffen basierend auf der Anwesenheit und Fähigkeit der jeweiligen Responder vorherzusagen."

Diese Technik könnte auf Bakterien angewendet werden, die überall leben, ob es sich im menschlichen Darm befindet, im Ozean, oder sogar im Boden. Obwohl die Genauigkeit verbessert werden muss, da das Ablesen der DNA-Sequenz für einige Genregionen als schwierig erachtet wird, Hosokawa hofft, dass diese Technik in Medizin und Industrie Anwendung findet und zur Verbesserung der Gesundheit von Mensch und Tier genutzt wird.

Ihre Ergebnisse wurden veröffentlicht in Mikrobiom am 23. Januar 2020.

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