Ruimtelijke ecologie of landschapsecologie is een onderzoeksgebied dat de vorming van ruimtelijke patronen onder bacteriële gemeenschappen onderzoekt. De grootte van de 'korrel' (de kleinste eenheid die wordt waargenomen) en de 'omvang' (de reikwijdte van waarnemingen) zijn belangrijke determinanten van de onderzoeksschaal. De schaal is cruciaal als het gaat om het bouwen van theorieën over hoe dergelijke gemeenschappen zijn georganiseerd.
Hoe worden zulke patronen gevormd? In de menselijke mond, minstens, het antwoord omvat factoren zoals de temperatuur, het vochtgehalte, de stroom van speeksel, het zuurstofgehalte, de pH, en het aantal keren dat schaafwonden of mondhygiëneprocedures voorkomen. Naast deze factoren op macroniveau, microben zelf produceren en gebruiken metabolische verbindingen, voedingsstoffen, en remmers, inclusief antimicrobiële moleculen. Ze voorkomen ook fysiek dat andere microben de primaire ruimte innemen, of hun oppervlakken kunnen goede plekken bieden voor andere microben om zich aan te binden. Dergelijke interacties leiden tot een diverse en functioneel redundante gemeenschap, die min of meer stabiel en metabolisch actief is volgens de niveaus van intermicrobiële interactie.
Om de ruimtelijke oriëntatie in kaart te brengen, andere factoren moeten bekend zijn, zoals de afstand tussen microben evenals de afstand tussen microben en andere gastheerkenmerken zoals de dichtstbijzijnde gastheercel of het oppervlak van een biofilm waarvan de microbe deel uitmaakt. Beeldvorming wordt gebruikt om informatie te verkrijgen over dergelijke patronen op individueel celniveau op schalen tot één millimeter.
De ontwikkeling van een techniek genaamd combinatorische labeling samen met spectrale beeldvorming-fluorescentie in situ hybridisatie (CLASI-FISH) heeft geholpen meerdere microbiële klassen tegelijkertijd te identificeren en te lokaliseren door een bepaald type microbe te labelen met meerdere fluoroforen. Dit helpt bij het visualiseren van de ruimtelijke ordening van een heel systeem van microben die microbiële gemeenschappen vormen op micronschaal.
Bacteriële biofilm geschraapt van het oppervlak van de tong en afgebeeld met CLAI-FISH. Menselijk epitheelweefsel vormt een centrale kern (grijs). Kleuren geven verschillende bacteriën aan:Actinomyces (rood) bezetten een gebied dicht bij de kern; Streptococcus (groen) is gelokaliseerd in een buitenste korst en in strepen in het interieur. Andere taxa (Rothia, cyaan; Neisseria, geel; Veillonella, magenta) zijn aanwezig in clusters en strepen die de groei van de gemeenschap naar buiten vanaf de centrale kern suggereren. Afbeelding tegoed:Steven Wilbert en Gary Borisy, Het Forsyth Instituut De huidige studie maakt gebruik van multispectrale fluorescentiebeeldvorming om zijn rol in ruimtelijke ecologie voor microbiële systemen op de tong vast te stellen. Hier zijn er meerdere dicht opeengepakte microben in contact met het menselijk epitheel en ook met andere orale habitats zoals het slijmvlies van de mond en de tanden.
De onderzoekers gebruikten een geribbelde plastic tongschraper om een geschraapt exemplaar van achteren naar voren te verzamelen. De grootte en interne rangschikking van deze fragmenten van biofilm brachten hen tot de conclusie dat ze de ruimtelijke rangschikking van de bacteriën op verschillende niveaus van de tongdorsum getrouw over een schaal van honderden micrometers vertegenwoordigden. Deze niveaus omvatten de toppen van de draadvormige papillen die de tong bedekken, de valleien ertussen, en de fijne stekels die eruit steken, die allemaal gastheerbacteriën van verschillende typen zijn.
De onderzoekers identificeerden eerst de belangrijkste bacterietypen in de monsters die van de tongen van 21 gezonde vrijwilligers waren geschraapt door sequentiebepaling, en analyseerde vervolgens elke klasse om een volledig beeld te krijgen van de structuur van het microbioom in voldoende detail om elk van de belangrijkste soorten zijn eigen plek op de tong toe te wijzen.
De meeste microbiële genen in de tonggemeenschap worden gevormd door een beperkt aantal oligotypes, volgens het Human Microbiome Project (HMP). Door elk oligotype in de mond te koppelen aan de bacteriële klassen in de uitgebreide Human Oral Microbiome Database (eHOMD), de onderzoekers identificeerden 17 bacteriële geslachten die aanwezig zijn in meer dan 80% van de mensen en 0,5% van de microben vormen. Met behulp van sequentiegegevens van de HMP, ze ontdekten dat 95% of meer van de bacteriële sequenties afkomstig waren van een vergelijkbare reeks geslachten.
De onderzoekers concluderen dat deze geslachten "waarschijnlijk zowel het ruimtelijke als het metabolische raamwerk van het gezonde TD-microbioom vormen."
De onderzoekers vonden drie soorten microbiële arrangementen:vrije bacteriën, bacteriën op plaveiselepitheelcellen, en bacteriële consortia, of structureel complexe groepen. De laatste waren bacteriële biofilms gemaakt van verschillende lagen microben, met een duidelijke grens en een epitheliale kern.
Analyse van de bacteriële samenstelling in elke categorie en ruimtelijke locatie toonde aan dat consortia homogener waren dan de andere categorieën, met vergelijkbare bacteriële patronen in alle monsters. Vrije en epitheelgebonden bacteriën kwamen afzonderlijk of in kleine clusters voor. In tegenstelling tot, elk consortium vertoonde dezelfde gelokaliseerde patchstructuur, elk gedomineerd door één bacterietype.
Elke patch heeft een duidelijke grens, is tientallen tot honderden micrometers lang, en heeft een kern van menselijke mucosale epitheelcellen. De consortia leven tussen de perimeterzone, die wordt blootgesteld aan speeksel en zuurstof, en de epitheliale kern.
Minimaal één monster van elke deelnemer, en meer dan 95% van de voorbeeldafbeeldingen, toonde de aanwezigheid van 3 geslachten: Actinomyces, Rothia, en Streptokokken . Elk had zijn eigen 'sweet spot' in het consortium, met Actinomyces vormen grote continue domeinen nabij de kern of strepen tussen plekken met andere bacteriën. Rothia vormden grote plekken nabij de omtrek en rond een kern van epitheliale of bacteriële cellen. Binnen zo'n corticale laag, de Rothia werd vaak afgebroken door beekjes of plekken van andere bacteriesoorten. Streptokokken vormden een dunne externe laag op het consortium, evenals aderen of vlekken erin.
Andere prominente bacterietypen die werden gezien in monsters van alle personen in het onderzoek waren inbegrepen Veillonella, Gemella, Neisseriaceae, en phylum Sacharibacteriën . Sommige van deze bacteriële klassen kunnen helpen om nitraat in het speeksel om te zetten in nitriet en zo helpen bij het reguleren van de niveaus van stikstofmonoxide in het lichaam. Minder dan een vijfde van de cellen werd niet gekleurd met een van de specifieke probes.
Volgende, de onderzoekers keken naar de verschillende geslachten binnen het consortium, elke soort binnen één geslacht, en één soort in het bijzonder waarvan werd gedacht dat het de vertegenwoordiger van dat geslacht op de tong was. Zoals verwacht op basis van HMP-gegevens, ze vonden, bijvoorbeeld, Dat Rothia werd vertegenwoordigd door R. mucilaginosa , Actinomyces door A. odontolyticus , en in veel mindere mate A. graevenitizi , en Neisseria door N. flavescens . S. mitis , S. salivarius en S. parasanguinis werden gevonden op alle consortia, maar op verschillende plaatsen.
De wetenschappers veronderstellen dat bacteriële cellen op het dorsum van de tong op elkaar duwen terwijl ze zich vermenigvuldigen. Elke klasse neemt sneller in aantal toe in het gebied dat ideaal is voor hun groei, wat leidt tot ongelijk gevormde plekken. Dit is de oorsprong van de patch-opstelling die wordt gezien in het volwassen microbioom. Bij slechte gezondheid, de structuur van de microbiële gemeenschap kan variëren.
"Onze studie is nieuw omdat niemand eerder naar de biofilm op de tong heeft kunnen kijken op een manier die alle verschillende bacteriën onderscheidt, zodat we kunnen zien hoe ze zichzelf rangschikken, " Onderzoeker Gary Borisy zegt. "Het meeste van het eerdere werk aan bacteriële gemeenschappen maakte gebruik van op DNA-sequencing gebaseerde benaderingen, maar om de DNA-sequentie te krijgen, je moet eerst het monster vermalen en het DNA extraheren, die alle mooie ruimtelijke structuur vernietigt die er was. Door beeldvorming met onze CLAI-FISH-techniek kunnen we de ruimtelijke structuur behouden en tegelijkertijd de bacteriën identificeren."
Met andere woorden, deze beeldvormingsmethode was in staat om de meeste cellen in elk consortium te identificeren, evenals hun overvloed en ruimtelijke ordening in relatie tot de voedingsbron en de locatie van het substraat.
De studies op micrometerschaal helpen microbiële gemeenschappen te differentiëren in relatie tot hun biologische rangschikking. Het gebruik van sondes op soortniveau laat zien dat veel soorten locatiespecialisten zijn die op één locatie voorkomen, zoals tandplak, maar niet in de andere, dat is, de tongdorsum.
De onderzoekers concluderen, "Hoewel beeldvorming slechts een van de vele sleuteltechnologieën is, het biedt het unieke voordeel dat het ons het doelwit laat zien:het landschap en de structuren die microben bouwen en die we moeten uitleggen en repliceren om inzicht te krijgen in de microbiële gemeenschap."
Veranderingen in de darmbacteriën beïnvloeden de resultaten van de lupusbehandeling tijdens de zwangerschap
Jong bloed herstelt vitaliteit bij ouderen
Gasdetecterende elektronische pil voor diagnose van gastro-intestinale aandoeningen
Type bovenste luchtwegbacteriën kan de ernst van astma beïnvloeden
Weinig bewijs voor mRNA COVID-19-vaccin-geassocieerde trombocytopenie,
Bepaling van zuurneutraliserend vermogen voor OTC-antacida
FLUOstar Omega gebruiken om nieuwe darmbacteriën te bestuderen die onze gezondheid kunnen beïnvloeden
De Microbial Biology and Metagenomics-groep van het Diamantina Institute van de University of Queensland gebruikt de BMG LABTECH FLUOstar Omega-microplaatlezer om nieuwe methoden te ontwikkelen om het
Wat kan oude uitwerpselen ons vertellen over de evolutie van het menselijke darmmicrobioom?
Oude microbiota-informatie vertegenwoordigt een essentiële bron om bacteriële evolutie te bestuderen en de biologische verspreiding van chronische ziekten door de geschiedenis heen te onderzoeken. E
Apoptose is een belangrijke mediator van pathogenese bij dierlijk coronavirusinfectie
Apoptose is een vorm van geprogrammeerde celdood, die optreedt in cellen die onherstelbaar beschadigd zijn of in cellen die door sommige virussen zijn geïnfecteerd. Dit mechanisme is uiterst belangrij