Как растет ваш микробиом?

Все более очевидно, что тысячи различных бактерий, живущих в нашем кишечнике — наш микробиом — оказывают огромное влияние на здоровье. Однако детали этого влияния остаются неясными. Исследование Института Вейцмана, недавно опубликованное в Science, предлагает новый подход: оценивать скорость роста различных бактерий.

Этот подход уже выявляет интригующие связи между скоростью роста бактерий и такими состояниями, как диабет II типа и воспалительные заболевания кишечника. Новый вычислительный метод позволяет осветить динамический процесс, такой как рост, по статичному "снимку" единичного образца, что может иметь значение как для диагностики, так и для новых направлений исследований.

Исследование возглавили Тал Корем и Давид Зееви, аспиранты лаборатории профессора Эрана Сегала (отдел компьютерных наук и прикладной математики), в сотрудничестве с Йотамом Суэцем (лаборатория доктора Эрана Элинава, отдел иммунологии) и доктором Адиной Вайнбергер (лаборатория Сегала).

Исследование началось с передовых методов геномного секвенирования, используемых в современных исследованиях микробиома, которые секвенируют всю бактериальную ДНК в образце. Из коротких последовательностей строится картина типов бактерий и их относительной численности. Но команда Института Вейцмана поняла, что эта методика содержит информацию другого типа.

"Бактерии в образце делают то, что они умеют лучше всего: копируют свои геномы, чтобы делиться, — говорит Сегал. — Поэтому большинство бактериальных клеток содержат более одного генома — например, полтора генома или геном и три четверти". Поскольку у большинства бактериальных штаммов есть запрограммированные коды "старта" и "финиша", команда смогла определить точку "старта" как наиболее распространенную короткую последовательность в образце. Наименее распространенная, на другом конце генома, — это ДНК, которая копируется последней. Исследователи обнаружили, что анализ относительного количества стартовой и финишной ДНК можно перевести в скорость роста для каждого штамма бактерий.

Группа проверила эту формулировку экспериментально: сначала на культурах одного штамма, где скорость роста можно было контролировать и наблюдать, затем на нескольких модельных системах животных и, наконец, на последовательностях ДНК сложных человеческих микробиомов.

Их метод сработал даже лучше, чем ожидалось: расчетные скорости роста бактерий оказались почти идентичными наблюдаемым. "Теперь мы наконец можем сказать что-то о том, как динамика нашего микробиома связана со склонностью к болезням. Скорость роста микробов раскрывает вещи о нашем здоровье, которые нельзя увидеть никаким другим методом анализа", — говорит Элинав.

Например, при изучении данных о микробиоме человека группа обнаружила, что определенные изменения в скорости роста бактерий однозначно связаны с диабетом II типа, а другие — с воспалительными заболеваниями кишечника. Эти ассоциации не наблюдались в статических исследованиях "популяции" микробиома. Таким образом, метод может быть использован в будущем в качестве диагностического инструмента для раннего выявления заболеваний или патогенных инфекций, а также для определения эффектов пробиотического или антибиотического лечения. Кроме того, ученые надеются, что это новое понимание микробиома стимулирует дальнейшие исследования связей между сложной, динамичной экосистемой внутри нас и нашим здоровьем.