Nieuwe methode zou kunnen leiden tot een beter begrip van complexe interacties tussen menselijke darmmicroben

Het darmmicrobioom - de wereld van microben die het menselijke darmkanaal bewonen - heeft de interesse gewekt van wetenschappers en clinici vanwege zijn cruciale rol in de gezondheid. Echter, ontleden welke van die microben verantwoordelijk zijn voor effecten op ons welzijn blijft een mysterie.

Door ons een stap dichter bij het oplossen van deze puzzel te brengen, UC Santa Barbara-fysici Eric Jones en Jean Carlson hebben een wiskundige benadering ontwikkeld om interacties tussen darmbacteriën in fruitvliegen te analyseren en te modelleren. Deze methode zou kunnen leiden tot een meer geavanceerd begrip van de complexe interacties tussen menselijke darmmicroben.

Hun bevindingen verschijnen in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Vooral in de afgelopen 20 jaar of zo, wetenschappers hebben ontdekt dat het microbioom interageert met de rest van je lichaam, met je immuunsysteem, met je brein, " zei Jones, een afgestudeerde student-onderzoeker in het laboratorium van Carlson. "Veel ziekten zijn geassocieerd met bepaalde microbiële samenstellingen in de darm."

Het menselijke darmmicrobioom is tot nu toe te divers om volledig te analyseren. In plaats daarvan, het onderzoeksteam, onder leiding van Carnegie Institution for Science-bioloog Will Ludington, gebruikte de fruitvlieg als modelorganisme om uit elkaar te houden hoe de aanwezigheid van bepaalde darmbacteriën kan leiden tot fysieke en gedragseffecten in het gastheerorganisme.

In hun krant "Microbioom-interacties vormen de fitheid van de gastheer, "Carson, jones, Ludington en collega's onderzoeken de interacties tussen vijf kernsoorten bacteriën die in de vliegendarm worden aangetroffen, en berekenen hoe de aan- of afwezigheid van individuele soorten aspecten van de fitheid van de vlieg beïnvloedt, inclusief levensduur, vruchtbaarheid en ontwikkeling. "De klassieke manier waarop we over bacteriesoorten denken, is in een zwart-witcontext als ziekteverwekkers - je hebt het of je hebt het niet, " zei Ludington. "Ons werk toont aan dat dit niet het geval is voor het microbioom. De effecten van een bepaalde soort zijn afhankelijk van de context waarin ook andere soorten voorkomen."

Voortbouwend op eerder onderzoek dat aantoonde dat de aanwezigheid versus de afwezigheid van bacteriën de levensduur van een organisme beïnvloedde (steriele gastheren leefden langer), uit het werk van de onderzoekers aan dit project bleek dat de situatie veel genuanceerder ligt. Bijvoorbeeld, de aanwezigheid van bepaalde bacteriën kan de vruchtbaarheid van de gastheer verhogen, terwijl andere de levensduur kunnen verkorten. "Toen we het totaal onderzochten van wat we de fitheid van een vlieg noemen - de overlevingskansen en het creëren van nakomelingen - ontdekten we dat er een afweging was tussen een korte levensduur met veel nakomelingen, versus een lange levensduur met weinig nakomelingen, " legde Ludington uit. "Deze afweging werd gemedieerd door microbioominteracties."

Om deze interacties te ontcijferen, Ludington voerde een combinatorische test uit, het kweken van 32 batches vliegen die elk worden bewoond door een unieke combinatie van de vijf bacteriën. Voor elke bacteriële combinatie, Ludington mat de ontwikkeling van de vlieg, vruchtbaarheid en een lang leven. Voor de analyse van de interacties moesten Carlson en Jones nieuwe wiskundige benaderingen ontwikkelen.

"Een model dat vaak een startpunt zou zijn, zou zijn om de interacties tussen paren bacteriën te beschouwen, " zei Carlson, wiens onderzoek zich verdiept in de fysica van complexe systemen. "Dit onderzoek laat ons zien dat een strikt paarsgewijs model niet alle waargenomen vliegeigenschappen vastlegt."

Wat de studie laat zien, zeiden de onderzoekers, is dat de interacties tussen de bacteriepopulaties net zo belangrijk zijn voor de algehele fitheid van de gastheer als hun aanwezigheid - de invloed van het microbioom kan niet alleen worden toegeschreven aan de aanwezigheid of afwezigheid van individuele soorten. "In zekere zin " zei Jones, "De invloed van het microbioom op de gastheer is meer dan de som der delen."

De nieuw ontwikkelde modellen kunnen worden uitgebreid om de interacties van de duizenden verschillende soorten bacteriën in het menselijk microbioom beter te begrijpen, wat zou, beurtelings, licht werpen op de vele verbanden met aan het microbioom gelieerde ziekten, waaronder stemmingsstoornissen, neurologische disfuncties, auto-immuunziekten en antibioticaresistente superbacteriën.

"In veel gevallen worden infecties veroorzaakt door bacteriën die we allemaal voortdurend in onszelf hebben, en worden in toom gehouden door inheemse darmbacteriën, " zei Carlson. Het is niet zozeer dat de infectie een nieuwe is, vreselijke bacteriën, ze legde uit, maar dat de populaties van andere bacteriën zijn veranderd, wat resulteert in onbeperkte groei voor de infectieuze bacteriën.

"Het gaat echt om het begrijpen van de populatiedynamiek van deze systemen, " ze zei.

• Online CGT kan helpen bij de behandeling van gastro-intestinale stoornissen bij kinderen
• Studie:interacties van microben in het maagdarmstelsel hebben grote effecten op de gezondheid