Genomisk sekvenseringsteknik hjälper till att förstå tarmmikrobiota en cell i taget

En population av mikroorganismer som lever i våra tarmar, känd som tarmmikrobiota, spelar en avgörande roll för att kontrollera vår ämnesomsättning och minska risken för tillstånd som fetma och diabetes.

Studier har visat att ett sätt att främja tillväxten av sådana fördelaktiga mikroorganismer och modulera deras sammansättning för en sund balans är att lägga till vissa former av fiber, såsom inulin, till vår kost. Dock, av alla tiotals biljoner mikroorganismer i tarmmikrobioten, det har varit svårt att avgöra vilken och hur mikroorganismer reagerar på kostfiber. Detta beror på att nuvarande tekniker är beroende av tillgängligheten av referensgener i DNA -sekvensdatabaser för exakt taxonomisk klassificering och exakta funktionella tilldelningar av specifika organismer, men i själva verket, uppskattningsvis hälften av de mänskliga tarmarterna saknar ett referensgenom. Dessutom, befintliga tekniker kräver timmar eller till och med dagar för att slutföra uppgiften.

För att lösa detta problem, Waseda University forskare utarbetade en ny teknik som kallas encelliga amplifierade genomer i gelpärlor sekvensering (SAG-gel) plattform, som kan ge flera draggener av tarmmikrobiota på en gång och identifiera bakterier som svarar på kostfiber på artnivå utan behov av befintliga referensgener. Vad mer, fördelen med denna teknik är att det bara tar 10 minuter att erhålla utkast genomer från rådata för helgenomsekvensering eftersom varje data är enbart härledd från individuella mikrober. Detta påskyndar dramatiskt den tid som krävs för processen.

Vår nya, enkelcells genomsekvenseringsteknik kan erhålla varje bakteriegenom separat och karakterisera odlade bakterier med specifika funktioner i mikrobiota, och detta kan hjälpa oss att uppskatta metaboliska släktlinjer som är involverade i bakteriell jäsning av fiber och metaboliska resultat i tarmen baserat på fibrerna som intas. Det introducerar en förbättrad och effektiv funktionell analys av odlade bakterier i tarmen. "

Masahito Hosokawa, biträdande professor vid Waseda universitets naturvetenskapliga och tekniska fakultet och motsvarande författare till denna studie

Vad forskarna gjorde var att mata möss med en inulinbaserad kost i två veckor och använde tekniken för att slumpmässigt fånga individuella bakterieceller som finns i mössens avföringsprover i små gelpärlor. Bakteriecellerna bearbetades sedan individuellt i gelpärlorna som flyter i ett provrör, och mer än 300 encelliga amplifierade genomer (SAG), eller genomer från en encelliga organismer som bakterier, erhölls genom massivt parallell sekvensering. Eftersom varje SAG består av tiotusentals läsningar i genomsnitt, det möjliggör extremt kostnadseffektiv helgenomsekvensering av målceller. Efter kvalitetskontroll och klassificering av SAG, forskarna bestämde vilka bakterier som var ansvariga för att bryta inulin och extrahera energi från det.

"Enligt våra resultat, den inulinrika kosten ökade aktiviteter av Bakteroider arter inuti musens tarm, "Hosokawa förklarar." Dessutom, från utkastet genomer av nyligen hittade Bakteroider arter, vi upptäckte det specifika genklustret för nedbrytning av inulin och den specifika metaboliska vägen för produktion av specifika kortkedjiga fettsyror, en metabolit som produceras av tarmmikrobiota. Fynd som dessa kommer att hjälpa forskare i framtiden att förutsäga metabolisk jäsning av kostfibrer baserat på närvaron och förmågan hos de specifika respondenterna. "

Denna teknik kan tillämpas på bakterier som bor var som helst, om det är inuti människans tarm, i havet, eller till och med i jorden. Även om det finns ett behov av att förbättra dess noggrannhet eftersom det är svårt att läsa DNA -sekvensen för vissa genregioner, Hosokawa hoppas att denna teknik kommer att tillämpas inom medicin och industri och utnyttjas för att förbättra människors och djurs hälsa.

Deras resultat publicerades i Mikrobiom den 23 januari, 2020.

• Rhizosfärmikrobiom kan systemiskt forma och kontrollera rotutsöndring
• Fluemodell kan hjälpa till att lägga grunden för nya terapier för att bekämpa svår patogen