Studie:Interaktioner mellan mikrober i mag -tarmsystemet har stora hälsoeffekter

De interaktioner som äger rum mellan de arter av mikrober som lever i mag -tarmsystemet har ofta stora och oförutsedda effekter på hälsan, enligt nytt arbete från ett team som leds av Carnegies Will Ludington. Deras resultat publiceras denna vecka i Förfaranden från National Academy of Sciences .

Tarmmikrobiomet är ett ekosystem med hundratals till tusentals mikrobiella arter som lever i människokroppen. Den stora mångfalden i människans tarm utgör en utmaning att katalogisera och förstå vilken effekt dessa samhällen har på vår hälsa.

Biologer är särskilt intresserade av att avgöra om mikrobiomet som helhet är större än summan av dess delar. Med andra ord, i vilken utsträckning påverkar enskilda arter vår hälsa och fysiologi, och i vilken grad bestäms dessa effekter av interaktioner mellan arterna i våra mikrobiomer?

Ludington och hans team-inklusive molekylära biologer Alison Gould, Vivian Zhang, och Benjamin Obadia från University of California Berkeley; fysikerna Eric Jones och Jean Carlson från University of California Santa Barbara; och matematiker Lisa Lamberti, Nikolaos Korasidis, och Niko Beerenwinkel från ETH Zürich och Alex Gavryushkin från University of Otago-använde det naturligt enkla mikrobiomet av fruktflugor för att fullständigt avslöja tarmens ekosystem. Teamet fann att interaktionerna mellan arter i tarmmikrobiomet påverkar flughälsa och till och med livslängd.

"Det klassiska sättet vi tänker på bakteriearter är i ett svartvitt sammanhang som sjukdomsmedel-antingen har du det, eller så gör du 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. "

Det har länge varit känt från fruktflugestudier att populationer av tarmbakterier kan påverka värdens utveckling, fertilitet, och livslängd. År 1927, Helen Steinfeld från UC Berkeley fann att genom att helt enkelt ta bort tarmbakterierna från laboratoriets fruktflugor, hon kunde förlänga deras livslängd med 14 procent.

Ludingtons team upprepade experimentet och hittade en liknande 23 procents livslängd när de tog bort deras flugas speciella mikrobiomer. Men det var oklart för dem hur mycket av detta inflytande som berodde på de enskilda arterna som var närvarande och hur mycket som berodde på deras övergripande mikrobiella ekologi.

Ludington och hans team byggde på Steinfelds arbete med att dissekera fruktflugans tarmmikrobiom och bättre förstå hur dessa mikroorganismer formar deras insektsvärdars liv.

De utvecklade ett system för att kartlägga alla möjliga interaktioner mellan de fem bakteriearterna som finns i flugtarmarna för att se hur de påverkade en insekts utveckling, produktion av avkommor, och livslängd, som kombineras för att bestämma dess lämplighet. Analysen av interaktionerna krävde utveckling av nya matematiska tillvägagångssätt, som är baserade på geometrin hos en femdimensionell kub, där varje art är en ny dimension.

Teamet fann att de interaktioner som äger rum mellan de mikrobiella populationerna är lika viktiga för flugans fysiologi som vilka enskilda arter som finns. När det gäller förändringen i livslängd på 23 procent, enskilda arter kan stå för endast en fjärdedel av effekten, medan interaktioner står för resten. Dessa interaktioner är mycket inflytelserika för vissa, men inte allt, av de faktorer som avgör en flugas sannolikhet att överföra sitt genetiska material till en ny generation.

"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. Det betyder att om vi vill förstå hur mikrobiomet påverkar vår hälsa, vi behöver utveckla en förutsägbar förståelse för hur kombinationer av bakterier påverkar värden, inte bara den enskilda arten. "

Dessutom, mätnings- och analysverktygen som utvecklats för detta forskningsprojekt visar att fruktflugan är en bra modell för att förstå mer komplexa mikrobiominteraktioner hos människor och andra djur, vilket kommer att vara viktigt för framtida arbete.

• Ny metod kan leda till bättre förståelse av komplexa interaktioner mellan tarmmikrober från människa
• Etnicitet kan vara en tillförlitlig indikator på tarmmikrobiotiska mångfald