Nová metóda odhaľuje, ako fungujú mikrobiálne spoločenstvá v našich telách

V poslednom desaťročí vedci urobili obrovský pokrok v chápaní toho, že skupiny baktérií a vírusov, ktoré prirodzene koexistujú v celom ľudskom tele, hrajú dôležitú úlohu v niektorých životne dôležitých funkciách, ako je trávenie, metabolizmus a dokonca boj proti chorobám. Otázkou však zostáva pochopiť, ako to robia.

Vedci z Drexelovej univerzity dúfajú, že pomôžu zodpovedať túto otázku prostredníctvom šikovnej kombinácie vysokovýkonného genetického sekvenovania a počítačových algoritmov na spracovanie prirodzeného jazyka. Ich výskum, ktorý bol nedávno uverejnený v časopise PLUS JEDEN , uvádza novú metódu analýzy kódov nachádzajúcich sa v RNA, ktoré môžu vymedziť ľudské mikrobiálne komunity a odhaliť, ako fungujú.

Veľká časť výskumu ľudského mikrobiálneho prostredia - alebo mikrobiómu - sa zamerala na identifikáciu všetkých rôznych druhov mikróbov. A rodiaci sa vývoj spôsobov liečby chorôb spojených s mikrobiotikou funguje na základe myšlienky, že nerovnováha alebo odchýlky v mikrobióme sú zdrojom zdravotných problémov, ako je porucha trávenia alebo Crohnova choroba.

Na správnu nápravu týchto nerovnováh je však dôležité, aby vedci lepšie chápali existujúce mikrobiálne komunity - a to ako v postihnutých oblastiach, tak v celom tele.

Naozaj len začíname škrabať povrch pochopenia účinkov mikrobioty na zdravie. Vedci v mnohých ohľadoch skočili do tejto práce bez toho, aby mali úplný obraz o tom, ako tieto mikrobiálne komunity vyzerajú, ako prevládajú a ako ich vnútorná konfigurácia ovplyvňuje ich bezprostredné prostredie v ľudskom tele. “

Gail Rosen, PhD., docent na Drexelovej vysokej škole inžinierstva, autor príspevku

Rosen vedie Drexelovo centrum pre biologický objav z Big Data, skupina vedcov, ktorá používa algoritmy a strojové učenie na pomoc dešifrovaniu veľkého množstva informácií o genetickom sekvenovaní, ktoré boli k dispozícii v posledných rokoch. Ich práca a podobné úsilie po celom svete presunuli mikrobiologický a genetický výskum z mokrého laboratória do dátového centra - čím sa vytvoril výpočtový prístup k štúdiu interakcií a evolúcie organizmov, nazývaná metagenomika.

Pri tomto type výskumu skenovanie vzorky genetického materiálu - DNA alebo RNA - možno interpretovať tak, aby sa odhalili organizmy, ktoré sú pravdepodobne prítomné. Metóda, ktorú predstavila Rosenova skupina, robí tento krok ešte ďalej tým, že analyzuje genetický kód, aby zistila opakujúce sa vzorce, náznak, že určité skupiny organizmov - v tomto prípade mikróbov - sa nachádzajú spolu tak často, že to nie je náhoda.

"Túto metódu nazývame temagenomika, „pretože hľadáme opakujúce sa témy v mikrobiómoch, ktoré sú indikátormi súčasne sa vyskytujúcich skupín mikróbov, „Rosen povedal.“ V tele žijú tisíce druhov mikróbov, Ak sa teda zamyslíte nad všetkými permutáciami zoskupení, ktoré by mohli existovať, dokážete si predstaviť, aká je to skľučujúca úloha určiť, ktoré z nich spolu žijú v spoločenstve. Naša metóda kladie na úlohu úlohu algoritmus rozpoznávania vzorov, čo šetrí obrovské množstvo času a eliminuje niektoré dohady. “

Súčasné metódy štúdia mikrobioty, črevné baktérie, napr. odoberte vzorku z oblasti tela a potom sa pozrite na prítomný genetický materiál. Tento proces vo svojej podstate postráda dôležitý kontext, podľa autorov.

„Nie je možné skutočne porozumieť tomu, čo robia komunity mikróbov, ak najskôr nepochopíme rozsah komunity a ako často a kde inde sa môžu v tele vyskytovať, “povedal Steve Woloszynek, PhD., a stážista MD na Drexel's College of Medicine a spoluautor príspevku. "Inými slovami, je ťažké vyvinúť liečebné postupy na podporu prirodzeného mikrobiálneho spolužitia, ak ešte nie je známy ich „prirodzený stav“. "

Získanie úplnej mapy mikrobiálnych komunít, pomocou tematológie, umožňuje výskumníkom sledovať, ako sa v priebehu času menia - u zdravých ľudí aj u ľudí trpiacich chorobami. A sledovanie rozdielu medzi týmito dvoma poskytuje vodítka k funkcii komunity, ako aj osvetlenie konfigurácie druhov mikróbov, ktorá to umožňuje.

„Väčšina metagenomických metód vám hovorí, ktoré mikróby sú početné - a preto sú pravdepodobne dôležité - ale v skutočnosti vám veľa nehovoria o tom, ako každý druh podporuje ostatných členov komunity, „Rosen povedal.“ S našou metódou získate obraz o konfigurácii komunity - napríklad môže mať E. coli a B. fragilis ako najhojnejšie sa vyskytujúce mikróby a v celkom rovnakom počte - čo môže naznačovať, že sa krížia. Iná komunita môže mať B. fragilis ako najhojnejší mikrób, s mnohými inými mikróbmi rovnakými, ale nižšie, čísla - čo by mohlo naznačovať, že sa živia všetkým, čo B. fragilis vyrába, bez akejkoľvek spolupráce. "

Jedným z konečných cieľov analýzy ľudskej mikrobioty je využiť prítomnosť určitých mikrobiálnych komunít ako indikátory na identifikáciu chorôb, ako je Crohnova choroba alebo dokonca špecifické typy rakoviny. Na otestovanie ich novej metódy výskumníci spoločnosti Drexel stavajú proti podobným postupom modelovania tém, ktoré diagnostikujú Crohnovu rakovinu a rakovinu úst, meraním relatívnej hojnosti určitých genetických sekvencií.

Temetagenomická metóda sa ukázala byť rovnako presnou predikciou chorôb, ale robí to oveľa rýchlejšie ako ostatné metódy modelovania tém - minúty oproti dňom - ​​a tiež sa zameriava na to, ako môžu jednotlivé druhy mikróbov v komunite indikátorov prispieť k závažnosti ochorenia. S touto úrovňou granularity, vedci budú môcť pri vývoji cielenej liečby využívať konkrétne genetické zoskupenia.

Skupina sprístupnila svoje nástroje tematagenomickej analýzy v nádeji, že urýchli pokrok smerom k vyliečeniu a liečbe týchto chorôb.

„Teraz je veľmi skoro, ale tým viac, že ​​chápeme, ako mikrobióm funguje - aj keď vieme, že skupiny môžu konať spoločne - potom sa môžeme pozrieť na metabolické cesty týchto skupín a zasiahnuť alebo ich ovládať, čím dláždi cestu pre vývoj liekov a výskum terapie, “Povedal Rosen.

• Detská nemocnica Mount Sinai Kravis dostáva nový grant na podporu programu Paws &Play
• Imunitné bunky opravujú poškodené črevo u detí s IBD