Авторы нового исследования во главе с Кэти Поллард (Katie Pollard) из Института Гладстона (Gladstone Institutes) опубликовали два новых исследования, заявив, что мониторинг штаммов бактерий — а не только видов — может дать лучшее представление о микробиоме.
Актуальность вопроса
Каждый день миллиарды бактерий, населяющих нашу пищеварительную систему, меняются; пища, которую мы едим, препараты, которые мы принимаем, и микроорганизмы, которым мы подвергаемся, заставляют некоторые бактерии процветать больше, чем другие. Ученые знают, что этот постоянно меняющийся баланс кишечных микроорганизмов связан с нашим здоровьем и болезнями, но изо всех сил пытаются определить, что делает один микробный баланс лучше другого. За последнее десятилетие ученые в целом описали микробиом человека — совокупность микроорганизмов, обнаруженных в кишечнике человека, — охарактеризовав, какие виды бактерий присутствуют и в каких количествах.
Штаммы бактерий немного похожи на породы собак или сорта томатов — части одного и того же вида, но отличные друг от друга.
«Я думаю, что исследователи упустили много информации, просто сосредоточившись на видах микроорганизмов», — заявляет Поллард, ведущий автор двух исследований. «Когда мы применим более детальный подход и посмотрим на штаммы бактерий, мы начнем находить причинно-следственные связи между микробиомом и заболеваниями».
Исследование в журнале Nature Biotechnology
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Biotechnology, лаборатория Полларда работала со Стивеном Найфахом (Stephen Nayfach) над разработкой нового вычислительного метода для анализа штаммов бактерий, присутствующих в образце микробиома, гораздо быстрее и доступнее, чем существующие технологии. По словам Полларда, новый подход позволит исследователям проводить более масштабные и точные анализы микробиома.
Исследование в журнале Genome Research
В статье, опубликованной в журнале Genome Research, Поллард сотрудничала с лабораториями из Университета Стэнфорда (Stanford University), чтобы отслеживать штаммы бактерий, присутствующих в микробиоме одного человека в 19 различных временных точках в течение 5-месячного периода, в том числе до и после курса антибиотиков. Ученые обнаружили, что в некоторых случаях численность того или иного вида бактерий оставалась постоянной в разные моменты времени, но штаммы внутри этого вида резко менялись.
Внутри нашего кишечника бактерии делают больше, чем просто переваривают пищу. Исследования показали, что люди с такими разнообразными заболеваниями, как воспалительные заболевания кишечника, астма, аутизм, диабет и рак, имеют разные бактерии в своей пищеварительной системе по сравнению со здоровыми людьми. Но из этих наблюдений до сих пор появилось мало методов лечения, нацеленных на микробиом.
Поскольку каждая бактерия имеет свой собственный генетический код, учёные полагаются на секвенирование ДНК, чтобы выяснить, какие бактерии населяют микробиом любого конкретного человека. Но анализ последовательностей ДНК затруднен из-за размера и сложности данных. Хотя исследователи могут использовать существующие методы для определения того, какие виды присутствуют, они дают лишь часть картины разнообразия и функций микробиома. Это связано с тем, что различные штаммы одного вида бактерий могут содержать значительные генетические различия, которые зачастую достаточно велики, чтобы вызывать различное поведение.
До сих пор для выявления генетических различий в образце микробиома требовались высокопроизводительные вычислительные мощности и облачное хранилище — то, что недоступно большинству лабораторий. Исследователям пришлось сравнить миллионы фрагментов ДНК из геномов тысяч бактерий, присутствующих в микробиоме, с базой данных с последовательностями каждого известного микроорганизма, используя метод, известный как выравнивание последовательностей.
«Алгоритмы анализа генетических последовательностей были разработаны для геномов человека», — говорит Поллард. «Они отлично подходят для решения задачи секвенирования генома одного организма, но не для наших целей секвенирования геномов тысяч неизвестных организмов одновременно».
Поллард с соавторами исследования знали, что длинные участки последовательностей генома распространены среди многих видов или штаммов бактерий. Таким образом, эти последовательности не могут быть использованы для точного определения конкретного штамма бактерий. Вдохновленная подходами, которые анализируют только наиболее изменчивые области генома человека, команда решила найти минимальный объем информации о последовательностях, которую нужно было бы извлечь из данных микробиома, чтобы определить, какие штаммы в нем содержатся.
Исследователи проанализировали более 100 000 общедоступных и высококачественных геномов примерно 900 видов бактерий, обычно встречающихся в кишечнике человека. Ученые обнаружили 104 миллиона коротких цепочек ДНК в бактериальных геномах, которые чаще всего различаются между штаммами бактерий. Затем исследователи использовали эту информацию для разработки нового алгоритма, получившего название Genotyper для прокариот (GT-Pro), который ищет в данных последовательности микробиома точные совпадения с ключевыми строками, которые действуют как идентификаторы бактериальных штаммов. В отличие от предыдущих методов выравнивания последовательности, GT-Pro помещается в память ноутбука и не требует высокопроизводительных вычислений и облачных кредитов.
«Благодаря появлению новых секвенированных геномов микробиома кишечника и других сред мы теперь можем создавать подробные генетические карты для тысяч видов бактерий», — говорит Найфач. «Наш подход использует эту предварительную информацию для быстрой и всесторонней идентификации генетических вариантов в образце микробиома без выполнения трудоемкого выравнивания последовательностей».
Область исследований ранее была ограничена тем фактом, что лишь у нескольких лабораторий по всему миру есть деньги или компьютерное оборудование для анализа данных микробиома при разрешении штаммов.
«Наш новый алгоритм открывает двери для каждого, кто сможет достичь такого уровня разрешения на персональном компьютере», — заявляет Поллард.
Один из вопросов, на который исследователи микробиома пытаются ответить в последние годы, заключается в том, насколько сильно меняется микробиом в организме человека с течением времени. Этот вопрос рассматривался на уровне видов; ученые отслеживали, как изменяется видовой состав микробиомов людей вместе с диетой, болезнями или изменениями окружающей среды. Но результаты не смогли объяснить, как микробиом приобретает новые функции, такие как устойчивость к антибиотикам или способность инактивировать химиотерапевтические препараты, когда видовой состав остается стабильным из месяца в месяц. Поллард с соавторами исследования решили углубиться в этот вопрос на более глубоком уровне, проанализировав, как штаммы бактерий, а не просто виды, меняются с течением времени. Они перепрофилировали метод, предназначенный для секвенирования отдельных клеток человека, и использовали его для штрих-кода молекул бактериальной ДНК. Это позволило группе отслеживать отдельные штаммы бактерий у одного человека в течение 5-месячного исследования.
До и после антибиотиков
Команда секвенировала микробиом здорового человека примерно раз в неделю в течение 5 месяцев. В течение этого периода времени у субъекта неожиданно была диагностирована болезнь Лайма, и он получил 2-недельный курс антибиотиков, которые, как известно, уничтожают многие виды бактерий, в том числе те, которые живут в кишечнике человека.
«Мы предполагали, что многих микробов станет меньше при приеме антибиотиков, а затем они восстановятся, но микробиом в конце будет более или менее напоминать микробиом в начале», — говорит Гуд, сотрудник кафедры прикладной физики в Стэнфорде.
В одних случаях некоторые виды и штаммы микробов были удивительно устойчивыми, с почти неизменными геномами в начале и в конце 5-месячного периода. Но в других случаях штаммы, присутствующие после антибиотиков, генетически отличались от штаммов в начале, хотя численность видов не изменилась. Важно отметить, что эти различия были бы упущены, если бы команда проанализировала только виды, присутствующие в каждом образце микробиома.
Практическая значимость исследований
Хотя алгоритм GT-Pro еще не был доступен для использования в этом исследовании, это значительно упростит и удешевит проведение аналогичных будущих исследований.
Бактерии в нашем теле подобны джунглям — живой, меняющейся экосистеме, в которой организмы сосуществуют в хрупком равновесии. Рассматривая спутниковые снимки сверху, экологи могут отслеживать самые глубокие, радикальные изменения в джунглях, но они упустят из виду тонкости, которые формируют окружающую среду.
Аналогичным образом, те, кто изучает микробиом, наблюдая за изменением видов, получают представление о сети на высоком уровне и видят только наиболее очевидные связи со здоровьем и болезнями. Но с GT-Pro и новым взглядом на штаммы микробов, станут очевидны новые связи.
«Предстоит еще много работы, чтобы понять функциональные последствия различий в микробиоме», — заключает Поллард. «Но до сих пор у нас не было подходящих измерительных инструментов, чтобы задавать эти вопросы, а теперь у нас есть».
Авторы другого исследования заявляют, что обычно назначаемые препараты могут влиять на микробиом кишечника по-разному.
Ведущий специалист отдела организации клинических исследований, терапевт, врач ультразвуковой диагностики АО «СЗМЦ» (г. Санкт-Петербург), главный редактор, учредитель сетевого издания Medical Insider, а также автор статей
E-mail для связи – [email protected];
