Пространственная экология или ландшафтная экология - это область исследований, изучающая формирование пространственных структур среди бактериальных сообществ. Величина «зернистости» (наименьшая наблюдаемая единица) и «степень» (диапазон наблюдений) являются важными детерминантами масштаба исследования. Масштаб имеет решающее значение, когда речь идет о построении теорий о том, как организованы такие сообщества.
Как формируются такие паттерны? В человеческом рту, по меньшей мере, ответ включает такие факторы, как температура, уровень влажности, поток слюны, уровень кислорода, pH, и количество раз ссадин или процедур гигиены полости рта. В дополнение к этим факторам макроуровня, сами микробы производят и используют метаболические соединения, питательные вещества, и ингибиторы, включая антимикробные молекулы. Они также физически не позволяют другим микробам занимать главное место, или на их поверхности могут быть хорошие места для связывания других микробов. Такие взаимодействия приводят к разнообразному и функционально избыточному сообществу, который является более или менее стабильным и метаболически активным в зависимости от уровней межмикробного взаимодействия.
Чтобы отобразить пространственную ориентацию, необходимо знать другие факторы, например, расстояние между микробами, а также расстояние между микробами и другими характеристиками хозяина, такими как ближайшая клетка-хозяин или поверхность биопленки, частью которой является микроб. Визуализация используется для получения информации о таких образцах на уровне отдельных клеток в масштабе до одного миллиметра.
Разработка техники, называемой комбинаторной маркировкой, наряду со спектрально-флуоресцентной гибридизацией in situ (CLASI-FISH) помогла одновременно идентифицировать и локализовать несколько классов микробов путем маркировки любого данного типа микробов несколькими флуорофорами. Это помогает визуализировать пространственное расположение целой системы микробов, образующих микробные сообщества в микронном масштабе.
Бактериальная биопленка соскабливается с поверхности языка и визуализируется с помощью CLASI-FISH. Эпителиальная ткань человека образует центральное ядро (серая). Цвета указывают на разные бактерии:Actinomyces (красный) занимают область, близкую к сердцевине; Стрептококк (зеленый) локализуется на внешней корке и полосами внутри. Другие таксоны (Rothia, голубой; Нейссерия, желтый; Вейлонелла, magenta) присутствуют в виде кластеров и полос, что свидетельствует о росте сообщества от центрального ядра. Кредит изображения:Стивен Уилберт и Гэри Бориси, Институт Форсайта В текущем исследовании используется многоспектральная флуоресцентная визуализация, чтобы установить ее роль в пространственной экологии для микробных систем на языке. Здесь есть несколько плотно сгруппированных микробов, контактирующих с эпителием человека, а также с другими средами обитания в полости рта, такими как слизистая оболочка рта и зубы.
Исследователи использовали ребристый пластиковый скребок для языка, чтобы собрать соскобленный образец сзади наперед. Размер и внутреннее расположение этих фрагментов биопленки привели их к выводу, что они точно отражают пространственное расположение бактерий на различных уровнях спинки языка в масштабе сотен микрометров. Эти уровни включают вершины нитевидных сосочков, покрывающих язык, долины между ними, и тонкие иглы, выходящие из них, все они являются хозяевами бактерий разных типов.
Сначала исследователи определили основные типы бактерий в образцах, взятых с языков 21 здорового добровольца, путем секвенирования. а затем проанализировали каждый класс, чтобы получить полное представление о структуре микробиома с достаточной детализацией, чтобы позволить каждому из ключевых видов выделить свое собственное место на языке.
Большинство микробных генов в языковом сообществе состоит из ограниченного числа олиготипов, согласно проекту "Микробиом человека" (HMP). Связав каждый олиготип во рту с классами бактерий в расширенной базе данных орального микробиома человека (eHOMD), исследователи идентифицировали 17 родов бактерий, присутствующих у более чем 80% людей и составляющих 0,5% микробов. Используя данные секвенирования из HMP, они обнаружили, что 95% или более бактериальных последовательностей происходили из аналогичного набора родов.
Исследователи пришли к выводу, что эти роды «вероятно, образуют как пространственную, так и метаболическую основу здорового микробиома TD».
Исследователи обнаружили три типа микробных структур:свободные бактерии, бактерии на клетках плоского эпителия, и бактериальные консорциумы, или структурно сложные группы. Последние представляли собой бактериальные биопленки, состоящие из нескольких слоев микробов, с четкой границей и эпителиальным стержнем.
Анализ бактериального состава в каждой категории и пространственном расположении показал, что консорциумы были более однородными, чем другие категории, с аналогичным бактериальным составом во всех образцах. Свободные и связанные с эпителием бактерии встречались по отдельности или небольшими кластерами. Наоборот, каждый консорциум отображал одну и ту же локализованную структуру исправлений, в каждом преобладает один тип бактерий.
Каждый патч имеет четкую границу, длиной от десятков до сотен микрометров, и имеет ядро из эпителиальных клеток слизистой оболочки человека. Консорциумы живут между периметральной зоной, который подвергается воздействию слюны и кислорода, и эпителиальное ядро.
По крайней мере, один образец от каждого участника, и более 95% образцов изображений, показал наличие 3 родов: Актиномицеты, Ротия, а также Стрептококк . У каждого была своя «золотая середина» в консорциуме, с участием Актиномицеты формирование больших сплошных доменов возле ядра или полос между пятнами других бактерий. Ротия образовывали большие пятна по периметру, а также вокруг ядра эпителиальных или бактериальных клеток. Внутри такого коркового слоя в Ротия часто разрушался ручьями или пятнами других типов бактерий. Стрептококк образует тонкий внешний слой на консорциуме, а также прожилки или пятна внутри него.
Другие известные типы бактерий, обнаруженные в образцах от всех участников исследования, включали: Вейлонелла, Гемелла, Neisseriaceae, и тип Сахарибактерии . Некоторые из этих классов бактерий могут помочь преобразовать нитраты в слюне в нитриты и, таким образом, помочь регулировать уровень оксида азота в организме. Менее пятой части клеток не было окрашено ни одним из специфических зондов.
Следующий, исследователи рассмотрели различные роды внутри консорциума, каждый вид в пределах одного рода, и, в частности, один вид, который считался представителем этого рода на языке. Как и ожидалось из данных HMP, они нашли, например, что Ротия был представлен R. mucilaginosa , Актиномицеты к A. odontolyticus , и в гораздо меньшей степени, A. graevenitizii , а также Neisseria к N. flavescens . С. митис , С. саливариус а также S. parasanguinis были найдены во всех консорциумах, но в разных местах.
Ученые предполагают, что бактериальные клетки на тыльной стороне языка давят друг на друга в процессе своего размножения. Численность каждого класса увеличивается быстрее в районе, идеально подходящем для их роста. что приводит к появлению пятен неправильной формы. Это источник расположения пятен в зрелом микробиоме. При плохом самочувствии, структура микробного сообщества может быть разной.
«Наше исследование является новым, потому что никому раньше не удавалось взглянуть на биопленку на языке таким образом, чтобы различить все различные бактерии, чтобы мы могли увидеть, как они устроены, - говорит исследователь Гэри Бориси. - В большинстве предыдущих работ по бактериальным сообществам использовались подходы, основанные на секвенировании ДНК, но чтобы получить последовательность ДНК, вы должны сначала измельчить образец и извлечь ДНК, который разрушает всю красивую пространственную структуру, которая была там. Визуализация с помощью нашей техники CLASI-FISH позволяет нам сохранить пространственную структуру и в то же время идентифицировать бактерии ».
Другими словами, этот метод визуализации смог идентифицировать большинство клеток в каждом консорциуме, а также их обилие и пространственное расположение по отношению к источнику питания и расположению субстрата.
Исследования в масштабе микрометра помогают дифференцировать микробные сообщества в зависимости от их биологического расположения. Использование зондов на уровне видов показывает, что многие виды являются специалистами по участкам и встречаются на одном участке, как зубной налет, но не в другом, то есть, тыльная сторона языка.
Исследователи приходят к выводу:"Хотя создание изображений - лишь одна из нескольких ключевых технологий, он дает уникальное преимущество, показывая нам цель:ландшафт и структуры, которые создают микробы и которые нам необходимо объяснить и воспроизвести, чтобы достичь понимания микробного сообщества ».
Исследование описывает исходную базовую базу данных здорового кишечного микробиома и профиль численности
Вперед, продолжать,
Первоначальные результаты проекта «Микробиом человека» вызвали «сотни последующих исследований».
Новое исследование определяет связь между микробиомом кишечника и инсультами.
Исследователи нашли новый способ защиты от болезней в модели рассеянного склероза.
Электронная таблетка для обнаружения газов для диагностики желудочно-кишечных заболеваний
Криптоспоридиоз усугубляется часто используемыми пробиотиками.
Исследователи обнаружили, что заражение кишечным паразитом Криптоспоридиум парвум ухудшается у мышей, которым вводили пробиотик. Кредит изображения:3D-графика Alpha Tauri / Shutterstock
Как справиться с синдромом раздраженного кишечника
Считается, что синдром раздраженного кишечника (СРК) поражает от 25 до 45 миллионов американцев, в основном женщины в возрасте от позднего подросткового возраста до начала 40-х годов. Состояние предст
Домашние собаки вряд ли будут передавать SARS-CoV-2,
говорят исследователи Исследователи из Испании и Германии провели исследование, показывающее, что домашние собаки вряд ли будут способствовать передаче и распространению среди населения тяжелого остро