Nova ferramenta para decifrar o microbioma intestinal

Os milhões de bactérias que residem no intestino desempenham um papel muito importante na saúde e nas doenças. Contudo, um problema constante tem sido a falta de compreensão da composição real do microbioma intestinal humano saudável.

p Agora, um grupo de cientistas propôs um novo método para uma análise rápida e em grande escala de cada tipo de bactéria no intestino, bem como uma lista de espécies encontradas no intestino humano saudável por tipo e número (GutFeelingKB), e um novo modelo de relatório denominado Relatório de População do Bioma Fecal (FecalBiome), que tornará mais fácil entender exatamente o que está acontecendo no intestino.

Estrutura cristalina da beta-galactosidase putativa de Bacteroides fragilis. Crédito da imagem:National Institutes of Health p Microrganismos, ou micróbios, existem há muito tempo, e moldar o ambiente externo e interno dos seres humanos. A palavra "microbioma" foi cunhada por Joshua Lederberg em 2001, como uma forma de chamar a atenção dos cientistas nas múltiplas interações entre os micróbios que vivem em nossos corpos, e sua interação com nossa fisiologia humana. O termo agora foi definido como "uma comunidade multiespécies de microrganismos em qualquer ambiente:hospedeiro, habitat, ou ecossistema. ” Longe de serem simplesmente invasores empenhados em nossa destruição, o microbioma humano compreende todo um mundo vivo em si mesmo, trazendo um conjunto completo e altamente diverso de genes que interagem e mudam, e também têm impacto na saúde humana. Essa mistura genética microbiana é chamada de metagenoma. O Projeto Microbioma Humano (HMP) decolou em 2008 e ajudou a catalisar uma maior caracterização e compreensão de como essas comunidades funcionam.

p A pesquisa do microbioma intestinal requer coleta e análise de dados precisos de alto rendimento, bem como facilidades para integrar os dados processados ​​de forma organizada para armazenamento, compartilhamento e acesso entre grupos de pesquisa. A maioria dos estudos anteriores focalizou genes ou grupos de organismos específicos, deixando de fora grandes segmentos dos genomas microbianos. Também, diferentes padrões de referência levaram a uma variedade de afirmações sobre a composição intestinal.

Bacteria Bacteroides fragilis, um dos principais componentes do microbioma normal do intestino humano, Ilustração 3D Crédito:Kateryna Kon / Shutterstock p Na verdade, a maioria dos estudos sobre o metagenoma usa apenas um pequeno conjunto de referência de sequências de ácido nucleico de micróbios ou genes microbianos já selecionados. Isso se deve à dificuldade de emparelhar os dados experimentais com a base de dados completa de nucleotídeos disponível no NCBI (NCBI-nt). Contudo, novos algoritmos podem agora fazer uso do último para permitir uma análise mais precisa de dados experimentais para produzir um perfil de abundância microbiana.

p O presente trabalho se baseia nesta base para formar uma Base de Conhecimento do Gut Feeling - GutFeelingKB - com amostras de um conjunto saudável de participantes. Essas amostras da microbiota intestinal foram sequenciadas para obter uma imagem da aparência de um metagenoma intestinal saudável. O número da amostra foi preenchido usando mais 50 sequências selecionadas aleatoriamente do HMP.

p Os pesquisadores também coletaram sequências contíguas montadas, ou contigs, que não correspondem a nenhuma sequência NCBI-nt, mas podem ser detectados em amostras fecais saudáveis. Contigs são, portanto, matéria escura, não reconhecível por qualquer sequência de ácido nucleico conhecida, mas que pode ser construído em sequências de 10, 000 nucleotídeos ou mais. Este comprimento foi escolhido para reduzir o número de contigs estranhos (artefatos) de matéria escura, embora ainda incluindo matéria escura microbiana. O GutFeelingKB é, portanto, uma base de conhecimento abrangente sobre o microbioma intestinal humano saudável.

p Isso foi então usado como uma referência para construir um modelo de relatório padrão onde microbiomas individuais podem ser relatados, para permitir a comparação direta de resultados entre estudos e amostras.

p Os cientistas também criaram um novo fluxo de trabalho usando vários programas de computador e um banco de dados de sequência microbiana do intestino filtrado chamado Filtered-nt, contendo quase 35, 000, 000 sequências que permitem a interpretação biologicamente relevante de sequências de amostra, ao mesmo tempo que oferece garantia de que todo o espaço de sequência conhecido foi incluído.

• O algoritmo CensuScope primeiro identifica os organismos para fornecer um perfil microbiano da amostra. Se algum dos organismos identificados ainda não estiver em GutFeelingKB, eles serão adicionados.
• Em segundo lugar, HIVE-hexagon é usado para criar um mapa de leitura para todas as leituras em cada amostra, alinhando leituras curtas com rapidez e precisão com sequências conhecidas. Isso dá os perfis de abundância.
• Finalmente, IDBA-UD é usado para montar as leituras. Se eles tiverem 10.000 nucleotídeos de comprimento ou mais, eles estão incluídos na matéria escura do metagenoma. Adicionar isso à análise anterior dá a soma dos organismos conhecidos e desconhecidos no microbioma.
• MaAsLin também foi usado para associar fatores dietéticos ao perfil de abundância bacteriana, levando em consideração as variações na dieta de cada indivíduo no dia a dia, bem como entre diferentes indivíduos.

p Assim, GutFeelingKB representa uma coleção cuidadosamente curada de sequências de nucleotídeos com metadados de 157 organismos em 60 gêneros.

p O microbioma humano saudável contém, portanto, membros de 8 filos, 18 famílias, 60 gêneros e 109 espécies, principalmente dos filos Firmicutes (40%) e Bacteroidetes (20%). Outros 20% vêm de Actinobactérias. Entre Firmicutes, mais da metade são Clostridia, seguido de perto por Bacteroides, Bifidobactérias, Enterobacteria and Lactobacilli.

p Todas as amostras foram positivas para 84 dos 109 organismos, o que talvez represente a lista de espécies principais.

p Contudo, é importante notar que em todo o mundo, organismos específicos que não estão no GutFeelingKB foram mapeados, como Fusobacteria, certas espécies de Actinobacter e Bacteroides. A função desta plataforma será atuar como uma plataforma de lançamento para comparar os resultados da análise de amostras de indivíduos saudáveis, e dar mais informações sobre as variações observadas sob a influência de fatores dietéticos, doenças e medicamentos.

Organismos no intestino

p Bacteroides é o gênero mais abundante em muitos países, na saúde. Geralmente são benéficos dentro do intestino, mas se escaparem, eles aproveitam a chance de causar infecções que geralmente são resistentes aos medicamentos e podem levar a uma taxa de mortalidade de 20%. Contudo, no intestino, eles protegem contra outros patógenos e ajudam a decompor os carboidratos da dieta.

p De forma similar, As bifidobactérias estão entre os primeiros colonizadores do intestino, são frequentemente encontrados em probióticos, e produzem o importante acetato de ácido graxo de cadeia curta (SCFA) que fortalece a barreira epitelial intestinal contra infecções. Uma cepa de Bifidobacterium longum foi encontrada em um indivíduo em um grupo de pessoas de vida particularmente longa na China.

Dieta e nutrientes - como eles se associam às bactérias intestinais?

p Os números de Bifidobacterium aumentam com uma maior ingestão de proteínas, e especialmente com proteína vegetal. A fibra solúvel na dieta também promove seu crescimento. Akkermansia está ligada à gordura saturada e ácido linoléico, mas negativamente associado com ácidos graxos poliinsaturados (PUFA). Bacteroides ovatus cresce em número com o aumento da ingestão de alimentos, obesidade e circunferência da cintura. Esses exemplos nos ajudam a entender como esses números podem ser usados ​​para tomar medidas de saúde para corrigir desequilíbrios do microbioma no futuro.

Modelo FecalBiome

p O modelo de relatório publicado no presente estudo tem como objetivo substituir os formatos não padronizados usados ​​por diferentes grupos comerciais e de pesquisa, o que dificulta sua interpretação e comparação. Ele converte os dados da pesquisa em um relatório clínico, ajudando a torná-lo imediatamente acionável.

p FecalBiome tem três domínios, Amostra, Paciente e Resultado, semelhante a um relatório de painel metabólico. Também permite que os colaboradores compartilhem muitas informações rapidamente, quando a pesquisa acontece em uma ampla variedade de locais. O limite para o relatório pode ser definido individualmente de acordo com o objetivo do estudo. Ele relata a abundância, a abundância média e informações sobre os micróbios presentes.

Resumo

p O presente relatório, portanto, permite que a pesquisa bacteriana intestinal seja conectada a informações de saúde compreensíveis, tornando-o relevante para a prática médica e para o paciente. Também permite uma comparação fácil entre os estudos. Isso ajudará os produtos de substituição intestinal a serem revisados ​​mais rapidamente, e ajudar a medicina baseada em evidências a progredir.

p O estudo foi publicado em 11 de setembro, 2019, no PLOS ONE .

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