Ny metod kan leda till bättre förståelse av komplexa interaktioner mellan tarmmikrober från människa

Tarmmikrobiomet - mikrobernas värld som lever i människans tarmkanal - har fångat forskarnas och klinikernas intresse för dess viktiga roll i hälsan. Dock, Det är fortfarande ett mysterium att analysera vilka av dessa mikrober som är ansvariga för effekterna på vårt välbefinnande.

Tar oss ett steg närmare att lösa detta pussel, UC Santa Barbara -fysikerna Eric Jones och Jean Carlson har utvecklat en matematisk metod för att analysera och modellera interaktioner mellan tarmbakterier i fruktflugor. Denna metod kan leda till en mer sofistikerad förståelse av de komplexa interaktionerna mellan tarmmikrober hos människor.

Deras fynd visas i Förfaranden från National Academy of Sciences .

"Speciellt under de senaste 20 åren eller så, forskare har funnit att mikrobiomet interagerar med resten av din kropp, med ditt immunsystem, med din hjärna, "sa Jones, doktorandforskare i Carlsons lab. "Många sjukdomar är associerade med vissa mikrobiella kompositioner i tarmen."

Det mänskliga tarmmikrobiomet är ännu för mångsidigt för att kunna analyseras fullständigt. Istället, forskargruppen, ledd av Carnegie Institution for Science biolog Will Ludington, använde fruktflugan som en modellorganism för att reta isär hur förekomsten av särskilda tarmbakterier kan leda till fysiska och beteendemässiga effekter i värdorganismen.

I deras papper, "Mikrobiominteraktioner formar värdens fitness, "Carlson, Jones, Ludington och kollegor undersöker samspelet mellan fem kärnarter av bakterier som finns i flugtarm, och beräkna hur förekomst eller frånvaro av enskilda arter påverkar aspekter av flugans kondition, inklusive livslängd, fertilitet och utveckling. "Det klassiska sättet vi tänker på bakteriearter är i ett svartvitt sammanhang som sjukdomsmedel-antingen har du det eller inte, "Sa Ludington." Vårt arbete visar att det inte är fallet för mikrobiomet. Effekterna av en viss art beror på i vilket sammanhang andra arter också finns. "

Att bygga på tidigare forskning som fann närvaron kontra frånvaron av bakterier påverkade en organisms livslängd (sterila värdar levde längre), forskarnas arbete med detta projekt avslöjade att situationen är mycket mer nyanserad. Till exempel, förekomsten av vissa bakterier kan öka värdens fruktsamhet, medan andra kan minska livslängden. "När vi undersökte summan av vad vi kallar en flugas kondition - det är chansen att överleva och skapa avkommor - fann vi att det fanns en avvägning mellan att ha en kort livslängd med massor av avkommor, kontra att ha en lång livslängd med få avkommor, "Ludington förklarade." Denna avvägning förmedlades av mikrobiominteraktioner. "

För att dechiffrera dessa interaktioner, Ludington utförde en kombinatorisk analys, uppfödning av 32 satser flugor var och en bebodd av en unik kombination av de fem bakterierna. För varje bakteriekombination, Ludington mätte flugans utveckling, fruktbarhet och livslängd. Analysen av interaktionerna krävde att Carlson och Jones utvecklade nya matematiska tillvägagångssätt.

"En modell som ofta skulle vara en utgångspunkt skulle vara att överväga interaktionen mellan bakteriepar, "sa Carlson, vars forskning fördjupar sig i komplexa systems fysik. "Denna forskning visar oss att en strikt parvis modell inte fångar alla observerade flugdrag."

Vad studien visar, sa forskarna, är att interaktionerna mellan bakteriepopulationerna är lika viktiga för värdens övergripande kondition som deras närvaro - mikrobiomets inflytande kan inte enbart tillskrivas närvaron eller frånvaron av enskilda arter. "På sätt och vis, "sa Jones, "Mikrobiomets inflytande på värden är mer än summan av dess delar."

De nyutvecklade modellerna kan utökas för att bättre förstå samspelet mellan tusentals olika bakteriearter i det mänskliga mikrobiomet, vilket kan, i tur och ordning, belysa de många kopplingarna till mikrobiom-associerade sjukdomar inklusive humörstörningar, neurologiska dysfunktioner, autoimmuna sjukdomar och antibiotikaresistenta superbugs.

"I många fall orsakas infektioner av bakterier som vi alla har i oss själva hela tiden, och hålls i schack av inhemska tarmbakterier, "Sa Carlson. Det är inte så mycket att infektionen är ny, hemska bakterier, hon förklarade, men att populationerna av andra bakterier har förändrats, vilket resulterar i obegränsad tillväxt för de infektiösa bakterierna.

"Det handlar verkligen om att förstå befolkningens dynamik i dessa system, " Hon sa.

• Online KBT kan hjälpa till att behandla gastrointestinala störningar hos barn
• Studie:Interaktioner mellan mikrober i mag -tarmsystemet har stora hälsoeffekter