Wetenschappers vinden dramatische verschillen tussen oude darmmicrobiomen en moderne microben

We waren in staat om specifieke microben en microbiële producten te identificeren waarvan we denken dat ze een goede immuuneducatie in het vroege leven belemmerden, En dit leidt later tot hogere incidenten van niet alleen type 1 diabetes, maar andere auto-immuun- en allergische ziekten."

Aleksandar Kostic, doctoraat, Senior auteur

Dus hoe zou een gezond menselijk microbioom eruit zien vóór de effecten van industrialisatie? "Ik ben ervan overtuigd dat je die vraag niet kunt beantwoorden met moderne levende mensen, " zegt Kostic, die erop wijst dat zelfs stammen in extreem afgelegen gebieden van de Amazone Covid-19 oplopen.

Steven Le Blanc, een archeoloog die voorheen verbonden was aan het Peabody Museum of Archaeology and Ethnology van Harvard, kwam naar Kostic met een dramatische alternatieve bron:microbieel DNA gevonden in menselijke paleofeces-monsters die musea hebben verzameld in droge omgevingen in het Noord-Amerikaanse zuidwesten.

Kostic en promovendus Marsha Wibowo gingen de uitdaging aan, uiteindelijk het DNA van acht uitzonderlijk goed bewaard gebleven oude darmmonsters uit droge grotten (sommige dateren uit de eerste eeuw van het huidige tijdperk) met DNA in 789 moderne monsters. Iets meer dan de helft van de moderne monsters was afkomstig van mensen met een geïndustrialiseerd "westers" dieet en de rest van mensen die niet-geïndustrialiseerde voedingsmiddelen consumeerden (meestal gekweekt in hun eigen gemeenschap).

De verschillen tussen microbioompopulaties waren opvallend. Bijvoorbeeld, een bacterie die bekend staat als Treponema succinifaciens "zit niet in een enkel westers microbioom dat we hebben geanalyseerd, maar het zit in elk van de acht oude microbiomen, ", zegt Kostic. De oude microbiomen kwamen beter overeen met moderne niet-industriële microbiomen.

Opvallend, Wibowo ontdekte dat bijna 40% van de oude microbiële soorten nog nooit eerder waren gezien. Wat zou deze hoge genetische variabiliteit kunnen verklaren?

"In oude culturen, het voedsel dat je eet is zeer divers en kan een meer eclectische verzameling microben ondersteunen, Kostic speculeert. "Maar naarmate je verder gaat naar industrialisatie en meer een supermarktdieet, je verliest veel voedingsstoffen die helpen om een ​​meer divers microbioom te ondersteunen."

De oude microbiomen hadden ook relatief hogere aantallen dan de moderne industriële microbiomen van transposasen (transponeerbare elementen van DNA-sequenties die van locatie in het genoom kunnen veranderen).

"We denken dat dit een strategie zou kunnen zijn voor de microben om zich aan te passen in een omgeving die veel meer verschuift dan het moderne geïndustrialiseerde microbioom, waar we hetzelfde eten en min of meer het hele jaar door hetzelfde leven leiden, ", zegt Kostic. "Terwijl in een meer traditionele omgeving, dingen veranderen en microben moeten zich aanpassen. Ze kunnen deze veel grotere verzameling transposasen gebruiken om genen te grijpen en te verzamelen die hen zullen helpen zich aan te passen aan de verschillende omgevingen."

Bovendien, de oude microbiële populaties bevatten minder genen die verband houden met antibioticaresistentie. De oude monsters bevatten ook lagere aantallen genen die eiwitten produceren die de darmslijmlaag afbreken, die vervolgens een ontsteking kunnen veroorzaken die verband houdt met verschillende ziekten.

Aanvullend, het werk kan licht werpen op een wetenschappelijke controverse over de vraag of populaties van darmmicroben verticaal worden overgedragen van generatie op generatie van mensen, of voornamelijk evolueren uit de omringende omgevingen.

Kijkend naar de afstamming van de gewone bacterie Methanobrevibacter smithii in de oude monsters, ze ontdekten dat de evolutie ervan consistent was met een gedeelde voorouderlijke stam die werd gedateerd op ongeveer het moment dat mensen voor het eerst over de Beringstraat naar Noord-Amerika migreerden. "Deze microben, net als onze eigen genomen, reisde met ons mee, ' zegt Kostic.

Het onderzoeksproject begon met de noodzaak om niet-verontreinigde menselijke paleofeces-monsters te identificeren die in ongewoon goede staat waren bewaard. "Toen we deze genomen reconstrueerden, we probeerden heel conservatief te zijn, ' zegt Wibowo.

Naast koolstof-14-datering, de wetenschappers gebruikten voedingsanalyses en andere methoden om te valideren dat de geselecteerde monsters inderdaad menselijk waren en niet verontreinigd door grond of door andere dieren zoals honden, ze zegt. De onderzoekers bevestigden ook dat de gekozen monsters de patronen van verval vertoonden waarvan bekend is dat al het DNA in de loop van de tijd vertoont.

Het team voerde veel diepere sequencing van DNA uit dan bij eerdere inspanningen was bereikt, minstens 100 miljoen keer gelezen, met 400 miljoen aflezingen van DNA voor één exemplaar.

Een medewerker, antropoloog Meradeth Snow, doctoraat, van de Universiteit van Montana in Missoula, leidde een initiatief om perspectieven op het werk te krijgen van inheemse Amerikaanse inheemse gemeenschappen in de regio Zuidwest. "We erkennen en waarderen die individuen wiens genetica en microben werden geanalyseerd voor dit onderzoek, evenals hedendaagse individuen met bijbehorend genetisch of cultureel erfgoed, " benadrukt de studie.

De onderzoekers zijn van plan hun studies uit te breiden naar vele andere oude microbioomspecimens, gericht op het detecteren van nieuwe microbiële soorten en proberen hun metabolische functies te voorspellen. Kostic is geïntrigeerd door de mogelijkheid om deze oude microben in het lab weer tot leven te wekken. door oude genomen in de dichtstbijzijnde levende bacteriesoorten in te voegen. "Als we ze in het laboratorium kunnen kweken, we kunnen de fysiologie van deze microben veel begrijpen, veel beter, " hij zegt.

LeBlanc hielp de Joslin-onderzoekers om medewerkers te verzamelen, uiteindelijk gerekruteerd uit een tiental instellingen. Onder de belangrijkste bijdragen, Dr. Snow uit Montana leidde de extractie en voorbereiding van het oude DNA, en Christina Warinner van Harvard, doctoraat, bood haar expertise aan over het oude menselijke microbioom. "Het was geweldig om te leren van al deze briljante medewerkers, "zegt Wibowo. "Er is echt een dorp voor nodig."

• Vermelden etiketten op commerciële kefirproducten de microbiële niveaus correct?
• Studie:Bacteriële kolonisatie van de ingewanden van baby's vindt niet plaats vóór de geboorte