Studie:interacties van microben in het maagdarmstelsel hebben grote effecten op de gezondheid

De interacties die plaatsvinden tussen de soorten microben die in het maagdarmstelsel leven, hebben vaak grote en onvoorspelbare effecten op de gezondheid, volgens nieuw werk van een team onder leiding van Carnegie's Will Ludington. Hun bevindingen worden deze week gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Het darmmicrobioom is een ecosysteem van honderden tot duizenden microbiële soorten die in het menselijk lichaam leven. De enorme diversiteit in de menselijke darm vormt een uitdaging voor het catalogiseren en begrijpen van het effect dat deze gemeenschappen op onze gezondheid hebben.

Biologen zijn vooral geïnteresseerd in het bepalen of het microbioom als geheel groter is dan de som der delen. Met andere woorden, in hoeverre beïnvloeden individuele soorten onze gezondheid en fysiologie, en in welke mate worden deze effecten bepaald door interacties tussen de soorten die aanwezig zijn in onze microbiomen?

Ludington en zijn team, waaronder moleculair biologen Alison Gould, Vivian Zhang, en Benjamin Obadia van University of California Berkeley; natuurkundigen Eric Jones en Jean Carlson van de University of California Santa Barbara; en wiskundigen Lisa Lamberti, Nikolaos Korasidis, en Niko Beerenwinkel van ETH Zürich en Alex Gavryushkin van de Universiteit van Otago - gebruikten het van nature eenvoudige microbioom van fruitvliegen om het darmecosysteem volledig te onthullen. Het team ontdekte dat de interacties tussen soorten in het darmmicrobioom van invloed zijn op de gezondheid van vliegen en zelfs op de levensduur.

"De klassieke manier waarop we over bacteriesoorten denken, is in een zwart-witcontext als ziekteverwekkers - of je hebt het, of jij 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."

Uit onderzoek naar fruitvliegen is al lang bekend dat populaties van darmbacteriën de ontwikkeling van hun gastheer kunnen beïnvloeden. vruchtbaarheid, en levensduur. in 1927, Helen Steinfeld van UC Berkeley ontdekte dat door simpelweg de darmbacteriën uit de fruitvliegjes van haar laboratorium te verwijderen, ze kon hun levensduur met 14 procent verlengen.

Het team van Ludington herhaalde het experiment en vond een vergelijkbare verlenging van de levensduur van 23 procent toen ze de specifieke microbiomen van hun vliegen verwijderden. Maar het was voor hen onduidelijk hoeveel van deze invloed te wijten was aan de individuele soorten die aanwezig waren en hoeveel aan hun algemene microbiële ecologie.

Ludington en zijn team bouwden voort op het werk van Steinfeld om het darmmicrobioom van de fruitvlieg te ontleden en beter te begrijpen hoe deze micro-organismen het leven van hun insectengastheren vormen.

Ze ontwikkelden een systeem om alle mogelijke interacties tussen de vijf soorten bacteriën in de vliegendarm in kaart te brengen om te zien hoe ze de ontwikkeling van een insect beïnvloedden, productie van nakomelingen, en levensduur, die samen de geschiktheid bepalen. De analyse van de interacties vereiste de ontwikkeling van nieuwe wiskundige benaderingen, die gebaseerd zijn op de geometrie van een vijfdimensionale kubus, waar elke soort een nieuwe dimensie is.

Het team ontdekte dat de interacties die plaatsvinden tussen de microbiële populaties net zo belangrijk zijn voor de fysiologie van de vlieg als welke individuele soorten aanwezig zijn. In termen van de 23 procent verandering in levensduur, individuele soorten kunnen slechts een kwart van het effect voor hun rekening nemen, terwijl interacties de rest voor hun rekening nemen. Deze interacties zijn voor sommigen van grote invloed, maar niet alles, van de factoren die bepalen hoe groot de kans is dat een vlieg zijn genetisch materiaal doorgeeft aan een nieuwe generatie.

"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. Dat betekent dat als we willen begrijpen hoe het microbioom onze gezondheid beïnvloedt, we moeten een voorspellend begrip ontwikkelen van hoe combinaties van bacteriën de gastheer beïnvloeden, niet alleen de individuele soort."

Aanvullend, de meet- en analysetools die voor dit onderzoeksproject zijn ontwikkeld, tonen aan dat de fruitvlieg een goed model is voor het begrijpen van complexere microbioominteracties bij mensen en andere dieren, wat belangrijk zal zijn voor toekomstig werk.

• Nieuwe methode zou kunnen leiden tot een beter begrip van complexe interacties tussen menselijke darmmicroben
• Etniciteit kan een betrouwbare indicator zijn voor de diversiteit van de darmflora