[ad_1]
Каждый день миллиарды бактерий, населяющих вашу пищеварительную систему, изменяются; пища, которую вы едите, лекарства, которые вы принимаете, и микробы, которым вы подвергаетесь, заставляют одни бактерии процветать больше, чем другие. Ученые знают, что этот постоянно меняющийся баланс кишечных микробов связан с вашим здоровьем и болезнями, но изо всех сил пытались определить, что делает один микробный баланс лучше другого.
За последнее десятилетие ученые обычно описывали микробиом человека – совокупность микробов, обнаруженных в кишечнике человека – путем характеристики того, какие виды бактерий присутствуют и в каком количестве. Теперь группа исследователей во главе с Кэти Поллард, доктором философии, из Gladstone Institutes опубликовала два новых исследования, которые предполагают, что мониторинг штаммов бактерий, а не только видов, может дать лучшее представление о микробиоме.
Штаммы бактерий чем-то напоминают породы собак или сорта томатов – части одного и того же вида, но отличаются друг от друга.
«Я думаю, что исследователи упускают много информации, просто сосредотачиваясь на видах микробов», – говорит Поллард, директор Института науки о данных и биотехнологии Гладстона и ведущий автор двух исследований. «Когда мы используем более детальный подход и смотрим на штаммы бактерий, я предсказываю, что мы начнем обнаруживать причинные связи между микробиомом и болезнями».
В одном исследовании, опубликованном в журнале Природа БиотехнологииЛаборатория Полларда работала со Стивеном Найфахом, доктором философии, научным сотрудником Объединенного института генома Министерства энергетики США, 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 масштабный и точный анализ микробиома, чем когда-либо прежде.
В отдельной статье, опубликованной в Интернете в Геномные исследования, Поллард сотрудничал с лабораториями Бенджамина Гуда, доктора философии, и Майкла Снайдера, доктора философии, в Стэнфордском университете, чтобы отслеживать штаммы бактерий, присутствующие в микробиоме одного человека, в 19 различных временных точках в течение 5-месячного периода, в том числе до и после курса антибиотиков. Они обнаружили, что в некоторых случаях численность определенного вида бактерий оставалась постоянной между точками времени, но штаммы внутри этого вида резко менялись.
Делаем микробиомы значимыми
Внутри кишечника бактерии, вероятно, не просто переваривают пищу. Действительно, исследования показали, что у людей с такими разнообразными заболеваниями, как воспалительные заболевания кишечника, астма, аутизм, диабет и рак, в пищеварительной системе присутствуют другие бактерии, чем у здоровых людей. Но до сих пор на основе этих наблюдений появилось мало методов лечения, нацеленных на микробиом.
Поскольку каждая бактерия имеет свой собственный генетический код, ученые полагаются на секвенирование ДНК, чтобы выяснить, какие бактерии населяют микробиом того или иного человека. Но анализ последовательностей ДНК затруднен из-за размера и сложности данных. Хотя исследователи могут использовать существующие методы, чтобы определить, какие виды присутствуют, они предоставляют только часть картины разнообразия и функций микробиома. Это потому, что разные штаммы одного вида бактерий могут иметь значительные генетические различия, которые часто достаточно велики, чтобы вызывать различное поведение.
До сих пор для выявления генетических различий в образце микробиома требовались высокопроизводительные вычислительные мощности и облачное хранилище, что было недоступно для большинства лабораторий. Исследователи должны были 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, который также является профессором Калифорнийского университета в Сан-Франциско и исследователем Чана Цукерберга в Biohub. «Они отлично подходят для задачи секвенирования генома одного организма, но не для наших целей секвенирования геномов тысяч неизвестных организмов одновременно».
Поллард и ее коллеги знали, что длинные участки геномных последовательностей распространены среди многих видов или штаммов бактерий. Таким образом, эти последовательности нельзя использовать для определения конкретного бактериального штамма. Вдохновленная подходами, которые анализируют только самые вариабельные области генома человека, команда поставила перед собой задачу найти минимальный объем информации о последовательности, который им нужно было бы извлечь из данных микробиома, чтобы определить, какие штаммы в нем содержатся.
Исследователи проанализировали более 100000 общедоступных и высококачественных геномов примерно 900 видов бактерий, обычно встречающихся в кишечнике человека. Они обнаружили 104 миллиона коротких цепочек ДНК в бактериальных геномах, которые чаще всего различаются между штаммами бактерий. Затем они использовали эту информацию для разработки нового алгоритма, получившего название GenoTyper for Prokaryotes (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 последовательностей, GT-Pro умещается в памяти ноутбука и не требует высокопроизводительных вычислений и облачных кредитов.
«С появлением новых секвенированных геномов из кишечного микробиома и других сред, мы теперь можем создавать подробные генетические карты для тысяч видов бактерий», – говорит Найфах. «Наш подход использует эту априорную информацию для быстрой и всесторонней идентификации генетических вариантов в образце микробиома без выполнения трудоемкого выравнивания последовательностей».
Область исследований ранее была ограничена тем фактом, что только несколько лабораторий по всему миру имеют деньги или компьютерное оборудование для анализа данных микробиома с определением штаммов.
«Наш новый алгоритм открывает двери для всех, кто сможет достичь такого уровня разрешения на персональном компьютере», – говорит Поллард.
До и после антибиотиков
Один из вопросов, на который исследователи микробиома пытались ответить в последние годы, заключается в том, насколько микробиом меняется в организме одного человека с течением времени. Этот вопрос был рассмотрен на уровне видов; Ученые проследили, как видовой состав микробиомов людей меняется вместе с изменениями в диете, болезнях или окружающей среде. 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 и ее коллеги хотели разобраться в этом вопросе на более глубоком уровне, проанализировав, как со временем меняются не только виды, но и штаммы бактерий. Они перепрофилировали метод, предназначенный для секвенирования отдельных клеток человека, и использовали его для штрих-кодирования молекул бактериальной ДНК. Это позволило группе отслеживать отдельные штаммы бактерий у одного человека в течение 5-месячного исследования.
Команда исследовала микробиом здорового человека примерно раз в неделю в течение 5 месяцев. В течение этого периода у субъекта неожиданно была диагностирована болезнь Лайма, и он прошел 2-недельный курс антибиотиков, которые, как известно, уничтожают многие виды бактерий, в том числе те, которые живут в кишечнике человека.
«Мы предположили, что многие микробы станут менее многочисленными с антибиотиками, а затем восстановятся, но микробиом в конце будет более или менее напоминать микробиом в начале», – говорит Гуд, доцент прикладной физики в Стэнфорде. .
В некоторых случаях это было правдой – определенные виды и штаммы микробов были удивительно устойчивыми, присутствовали 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.
Хотя алгоритм GT-Pro еще не был доступен для использования в этом исследовании, Поллард говорит, что он упростит и удешевит проведение подобных будущих исследований.
Прокладывая новый путь для исследований микробиома
Бактерии в вашем теле подобны джунглям – это живая, изменяющаяся экосистема, в которой организмы сосуществуют в хрупком равновесии. Глядя на спутниковые снимки сверху, экологи могут отслеживать самые глубокие, радикальные изменения в джунглях, но упускают из виду более тонкие нюансы, которые формируют окружающую среду.
Точно так же те, кто изучает микробиом, наблюдая за изменением видов, получают общее представление о сети и видят только наиболее очевидные связи со здоровьем и болезнями. Но с GT-Pro и новым взглядом на штаммы микробов, говорит Поллард, новые связи станут очевидными.
«Еще предстоит проделать большую работу, чтобы понять функциональные последствия различий в микробиоме», – говорит Поллард. «Но до сих пор у нас не было подходящих инструментов измерения, чтобы задать эти вопросы, а теперь у нас есть».
Связанный
[ad_2]
Source