Genomisk sekvenseringsteknikk hjelper til med å forstå tarmmikrobiota én celle om gangen

En populasjon av mikroorganismer som lever i tarmen vår, kjent som tarmmikrobiota, spiller en avgjørende rolle i å kontrollere stoffskiftet og redusere risikoen for tilstander som fedme og diabetes.

Studier har vist at en måte å fremme veksten av slike fordelaktige mikroorganismer og modulere sammensetningen for en sunn balanse er å tilsette visse former for fiber, som inulin, til kostholdet vårt. Derimot, av alle titalls billioner mikroorganismer i tarmmikrobiota, det har vært vanskelig å avgjøre hvilke og hvordan mikroorganismer reagerer på kostfiber. Dette er fordi dagens teknikker er avhengige av tilgjengeligheten av referansegenomer i DNA -sekvensdatabaser for presis taksonomisk klassifisering og nøyaktige funksjonelle tildelinger av spesifikke organismer, men i virkeligheten, anslagsvis halvparten av tarmartene mangler et referansegenom. I tillegg, eksisterende teknikker krever timer eller dager for å fullføre oppgaven.

For å løse dette problemet, Waseda University forskere utviklet en ny teknikk kalt encellede amplifiserte genomer i gelperler sekvensering (SAG-gel) plattform, som kan gi flere utkastgenomer av tarmmikrobiota samtidig og identifisere bakterier som reagerer på kostfiber på artnivå uten behov for eksisterende referansegenomer. Hva mer, fordelen med denne teknikken er at det bare tar 10 minutter å få utkast av genomer fra rådata for helgenomsekvensering siden hver data er rent avledet fra individuelle mikrober. Dette øker dramatisk tiden som trengs for prosessen.

Vår nye, enkelcellet genom-sekvenseringsteknikk kan skaffe hvert bakteriegenom separat og karakterisere ukultiverte bakterier med spesifikke funksjoner i mikrobiota, og dette kan hjelpe oss å estimere metabolske linjer som er involvert i bakteriell gjæring av fiber og metabolske utfall i tarmen basert på fibrene som inntas. Den introduserer en forbedret og effektiv funksjonell analyse av ukultiverte bakterier i tarmen. "

Masahito Hosokawa, assisterende professor ved Waseda Universitys fakultet for vitenskap og ingeniørfag og tilsvarende forfatter av denne studien

Det forskerne gjorde var å mate mus et inulinbasert kosthold i to uker og brukte teknikken for å tilfeldigvis fange individuelle bakterieceller som ble funnet i musens fekale prøver i små gelperler. Bakteriecellene ble deretter behandlet individuelt i gelperlene som flyter i et reagensrør, og mer enn 300 encellede amplifiserte genomer (SAG), eller genomer fra en encellet organisme som bakterier, ble oppnådd ved massivt parallell sekvensering. Fordi hver SAG består av titusenvis av avlesninger i gjennomsnitt, det muliggjør ekstremt kostnadseffektiv helgenomsekvensering av målceller. Etter kvalitetskontroll og klassifisering av SAG -ene, forskerne bestemte hvilke bakterier som var ansvarlige for å bryte ned inulin og utvinne energi fra det.

"I henhold til våre resultater, det inulinrike kostholdet økte aktivitetene ved Bacteroides arter inne i musetarmen, "Forklarer Hosokawa." Også, fra utkastgenomet til nylig funnet Bacteroides arter, vi oppdaget den spesifikke genklyngen for å bryte ned inulin og den spesifikke metabolske veien for produksjon av spesifikke kortkjedede fettsyrer, en metabolitt som produseres av tarmmikrobiota. Funn som disse vil hjelpe forskere i fremtiden til å forutsi metabolsk gjæring av kostfiber basert på tilstedeværelsen og evnen til de spesifikke respondentene. "

Denne teknikken kan brukes på bakterier som bor hvor som helst, om det er inne i menneskets tarm, i havet, eller til og med i jord. Selv om det er behov for å forbedre dens nøyaktighet siden det er vanskelig å lese DNA -sekvensen for noen genregioner, Hosokawa håper denne teknikken vil bli brukt i medisin og industri og bli utnyttet for å forbedre menneskers og dyrs helse.

Funnene deres ble publisert i Mikrobiom 23. januar, 2020.

• Rhizosfære mikrobiom kan systemisk forme og kontrollere roteksudasjon
• Fluemodell kan bidra til å legge grunnlaget for nye terapier for å bekjempe vanskelig patogen