Novo método revela como as comunidades microbianas funcionam em nossos corpos

Na última década, os cientistas fizeram um enorme progresso na compreensão de que grupos de bactérias e vírus que coexistem naturalmente em todo o corpo humano desempenham um papel importante em algumas funções vitais, como a digestão, metabolismo e até mesmo lutando contra doenças. Mas entender como eles fazem isso permanece uma questão.

Pesquisadores da Drexel University esperam ajudar a responder a essa pergunta por meio de uma combinação inteligente de sequenciamento genético de alto rendimento e algoritmos de processamento de linguagem natural. Sua pesquisa, que foi publicado recentemente no jornal PLOS ONE , relata um novo método de análise dos códigos encontrados no RNA que pode delinear as comunidades microbianas humanas e revelar como elas operam.

Muitas das pesquisas sobre o ambiente microbiano humano - ou microbioma - se concentraram na identificação de todas as diferentes espécies de micróbios. E o desenvolvimento nascente de tratamentos para doenças ligadas à microbiota opera sob a ideia de que desequilíbrios ou desvios no microbioma são a fonte de problemas de saúde, como indigestão ou doença de Crohn.

Mas, para corrigir adequadamente esses desequilíbrios, é importante que os cientistas tenham uma compreensão mais ampla das comunidades microbianas como elas existem - tanto nas áreas afetadas quanto em todo o corpo.

Na verdade, estamos apenas começando a explorar a superfície da compreensão dos efeitos da microbiota na saúde. De muitas maneiras, os cientistas entraram neste trabalho sem ter uma imagem completa de como são essas comunidades microbianas, quão prevalentes eles são e como sua configuração interna afeta seu ambiente imediato dentro do corpo humano. "

Gail Rosen, PhD, professor associado da Faculdade de Engenharia de Drexel, autor do papel

Rosen dirige o Centro de Descoberta Biológica de Big Data da Drexel, um grupo de pesquisadores que tem aplicado algoritmos e aprendizado de máquina para ajudar a decifrar grandes quantidades de informações de sequenciamento genético que se tornaram disponíveis nos últimos anos. Seu trabalho e esforços semelhantes em todo o mundo mudaram a pesquisa de microbiologia e genética do laboratório úmido para o centro de dados - criando uma abordagem computacional para estudar as interações e evolução dos organismos, chamada metagenômica.

Neste tipo de pesquisa, uma varredura de uma amostra de material genético - DNA ou RNA - pode ser interpretada para revelar os organismos que provavelmente estão presentes. O método apresentado pelo grupo de Rosen dá um passo adiante, analisando o código genético para detectar padrões recorrentes, uma indicação de que certos grupos de organismos - micróbios neste caso - são encontrados juntos com tanta frequência que não é uma coincidência.

"Chamamos esse método de 'teetagenômica, 'porque estamos procurando temas recorrentes em microbiomas que são indicadores de grupos de micróbios co-ocorrentes, "Rosen disse." Existem milhares de espécies de micróbios que vivem no corpo, portanto, se você pensar em todas as permutações de agrupamentos que poderiam existir, pode imaginar como é difícil determinar quais deles estão vivendo em comunidade uns com os outros. Nosso método coloca um algoritmo de detecção de padrões para trabalhar na tarefa, o que economiza muito tempo e elimina algumas suposições. "

Métodos atuais para estudar a microbiota, bactérias intestinais, por exemplo, pegue uma amostra de uma área do corpo e observe o material genético que está presente. Este processo inerentemente carece de contexto importante, de acordo com os autores.

"É impossível entender realmente o que as comunidades de micróbios estão fazendo se não entendermos primeiro a extensão da comunidade e com que frequência e onde mais eles podem estar ocorrendo no corpo, "disse Steve Woloszynek, PhD, e estagiário de MD na Drexel's College of Medicine e co-autor do artigo. "Em outras palavras, é difícil desenvolver tratamentos para promover a coexistência microbiana natural se seu 'estado natural' ainda não for conhecido. "

Obtenção de um mapa completo das comunidades microbianas, usando a tematagenômica, permite que os pesquisadores observem como eles mudam ao longo do tempo - tanto em pessoas saudáveis ​​quanto em pessoas que sofrem de doenças. E observar a diferença entre os dois fornece pistas para a função da comunidade, bem como iluminar a configuração das espécies de micróbios que o possibilitam.

"A maioria dos métodos metagenômicos apenas diz quais micróbios são abundantes - portanto, provavelmente importantes - mas eles realmente não dizem muito sobre como cada espécie está apoiando outros membros da comunidade, "Rosen disse." Com nosso método, você obtém uma imagem da configuração da comunidade - por exemplo, pode ter E. coli e B. fragilis como os micróbios mais abundantes e em números bastante iguais - o que pode indicar que eles estão se alimentando de forma cruzada. Outra comunidade pode ter B. fragilis como o micróbio mais abundante, com muitos outros micróbios iguais, mas inferior, números - o que pode indicar que eles estão se alimentando de tudo o que B. fragilis está fazendo, sem qualquer cooperação. "

Um dos objetivos finais da análise da microbiota humana é usar a presença de certas comunidades de micróbios como indicadores para identificar doenças como a de Crohn ou mesmo tipos específicos de câncer. Para testar seu novo método, os pesquisadores da Drexel o comparam a procedimentos de modelagem de tópicos semelhantes que diagnosticam a doença de Crohn e o câncer de boca medindo a abundância relativa de certas sequências genéticas.

O método da tematagenômica provou ser tão preciso na previsão das doenças, mas faz isso muito mais rápido do que os outros métodos de modelagem de tópicos - minutos versus dias - e também revela como cada espécie de micróbio na comunidade indicadora pode contribuir para a gravidade da doença. Com este nível de granularidade, os pesquisadores serão capazes de se concentrar em agrupamentos genéticos específicos ao desenvolver tratamentos direcionados.

O grupo disponibilizou publicamente suas ferramentas de análise tematagenômica na esperança de acelerar o progresso em direção a curas e tratamentos para essas doenças.

"É muito cedo agora, mas quanto mais entendemos sobre como o microbioma funciona - mesmo sabendo que grupos podem estar agindo juntos - então podemos olhar para as vias metabólicas desses grupos e intervir ou controlá-los, abrindo assim o caminho para o desenvolvimento de medicamentos e pesquisas terapêuticas, "Rosen disse.

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