Studie:Interaksjoner mellom mikrober i mage -tarmsystemet har store helseeffekter

Interaksjonene som finner sted mellom mikrobeartene som lever i mage -tarmsystemet har ofte store og uforutsette effekter på helse, ifølge nytt arbeid fra et team ledet av Carnegies Will Ludington. Resultatene deres er publisert denne uken i Prosedyrer ved National Academy of Sciences .

Tarmmikrobiomet er et økosystem av hundrevis til tusenvis av mikrobielle arter som lever i menneskekroppen. Det store mangfoldet i den menneskelige tarmen er en utfordring for å katalogisere og forstå effekten disse samfunnene har på helsen vår.

Biologer er spesielt interessert i å avgjøre om mikrobiomet som helhet er større enn summen av delene. Med andre ord, i hvilken grad påvirker enkelte arter vår helse og fysiologi, og i hvilken grad bestemmes disse virkningene av interaksjoner mellom artene som er tilstede i mikrobiomene våre?

Ludington og teamet hans-inkludert molekylærbiologene Alison Gould, Vivian Zhang, og Benjamin Obadia fra University of California Berkeley; fysikerne Eric Jones og Jean Carlson fra University of California Santa Barbara; og matematikerne Lisa Lamberti, Nikolaos Korasidis, og Niko Beerenwinkel fra ETH Zürich og Alex Gavryushkin ved University of Otago-brukte det naturlig enkle mikrobiomet til fruktfluer for å avsløre tarmøkosystemet omfattende. Teamet fant at samspillet mellom arter i tarmmikrobiomet påvirker flyhelsen og til og med lang levetid.

"Den klassiske måten vi tenker på bakteriearter er i en svart-hvitt-kontekst som sykdomsagenter-enten har du det, eller du ikke, "Sa Ludington." Vårt arbeid viser at det ikke er tilfelle for mikrobiomet. Effekten av en bestemt art avhenger av konteksten som andre arter også er tilstede. "

Det har lenge vært kjent fra fruktfluestudier at populasjoner av tarmbakterier kan påvirke vertens utvikling, fruktbarhet, og lang levetid. I 1927, Helen Steinfeld fra UC Berkeley fant ut at ved å fjerne tarmbakteriene fra laboratoriets fruktfluer, hun kunne forlenge levetiden med 14 prosent.

Ludingtons team gjentok eksperimentet og fant en lignende 23 prosent levetid forlengelse da de fjernet fluene sine spesielle mikrobiomer. Men det var uklart for dem hvor mye denne påvirkningen skyldtes de enkelte artene som var til stede og hvor mye som skyldtes deres generelle mikrobielle økologi.

Ludington og teamet hans bygde videre på Steinfelds arbeid for å dissekere mikrobiomet fra fruktflue -tarm og bedre forstå hvordan disse mikroorganismene former livet til insektverter.

De utviklet et system for å kartlegge alle mulige interaksjoner mellom de fem bakterieartene som finnes i fluetarmen for å se hvordan de påvirket et insekts utvikling, produksjon av avkom, og levetid, som kombinerer for å bestemme dens egnethet. Analysen av interaksjonene krevde utvikling av nye matematiske tilnærminger, som er basert på geometrien til en femdimensjonal terning, hvor hver art er en ny dimensjon.

Teamet fant at interaksjonene som finner sted mellom de mikrobielle populasjonene er like viktige for fluens fysiologi som de enkelte artene er tilstede. Når det gjelder endringen i levetid på 23 prosent, enkelte arter kan utgjøre bare en fjerdedel av effekten, mens interaksjoner står for resten. Disse interaksjonene er svært innflytelsesrike for noen, men ikke alt, av faktorene som bestemmer en flues sannsynlighet for å overføre genetisk materiale til en ny generasjon.

"Da vi undersøkte summen av det vi kaller en flues kondisjon-det er sjansene for å overleve og skape avkom-fant vi ut at det var en avveining mellom å ha en kort levetid med mange avkom, kontra å ha en lang levetid med få avkom, "Forklarte Ludington." Denne kompromissen ble formidlet av mikrobiominteraksjoner. Det betyr at hvis vi vil forstå hvordan mikrobiomet påvirker helsen vår, vi trenger å utvikle en prediktiv forståelse av hvordan kombinasjoner av bakterier påvirker verten, ikke bare den enkelte art. "

I tillegg måle- og analyseverktøyene utviklet for dette forskningsprosjektet viser at fruktfluen er en god modell for å forstå mer komplekse mikrobiominteraksjoner hos mennesker og andre dyr, som vil være viktig for fremtidig arbeid.

• Ny metode kan føre til bedre forståelse av komplekse interaksjoner mellom tarmmikrober fra mennesker
• Etnisitet kan være en pålitelig indikator på mangfold i tarmmikrobiota