Микробы эволюционировали для колонизации разных частей человеческого тела

По мере эволюции человека за последние шесть миллионов лет эволюционировали и резидентные микробы, адаптируясь к различным условиям на коже, во рту, носу, половых органах и кишечнике.

Ученые из Университета Дьюка проследили за этой микробной эволюцией, используя математические инструменты, изначально разработанные для геологов.

Они идентифицировали микробы, которые дивергировали в новые виды, колонизируя одну область тела за другой. Исследование предлагает новый способ анализа сложных микробных данных для изучения эволюции бактерий, связанных с нашим телом.

Работа, опубликованная в журнале eLife с открытым доступом, может способствовать появлению новых теорий и методов лечения для управления этими бактериальными сообществами, известными как микробиом человека.

"Наш анализ дает нам окно в то, как разные бактерии адаптируются и эволюционируют, чтобы мы могли более эффективно предсказывать, какие имплантированные виды выживут и повлияют на болезнь", — сказал Лоуренс А. Дэвид, старший автор исследования.

Определить, как бактерии эволюционировали, чтобы сосуществовать, было сложно. Ученые обычно анализируют микробиом, секвенируя образцы и подсчитывая относительную численность каждого вида. Однако такие данные требуют сложных статистических методов.

Джастин Силверман, студент MD-PhD, нашел решение в геологии — математический инструмент PhILR transform, созданный для анализа относительного содержания элементов в горных породах. Он адаптировал этот метод для изучения относительного количества бактерий в микробиоме.

Новая техника объединила данные секвенирования каждого вида с информацией об их положении на бактериальном филогенетическом дереве. Полученная статистическая модель похожа на мобиль над детской кроваткой, где общий предок — наверху, а последующие поколения — внизу, соединенные перекладинами. Анализируя "наклон" этих перекладин под весом различных видов, ученые смогли оценить, как микробные сообщества росли и эволюционировали в разных частях тела.

"Эта техника открывает огромный набор статистических методов, которые раньше не работали, но теперь могут использоваться для анализа данных микробиома", — сказал Силверман.

Применив этот подход к данным Human Microbiome Project, ученые обнаружили, что разные микробы эволюционировали для адаптации к средам, таким как кожа и рот. Например, они выявили группу бактерий стрептококков, которая недавно дивергировала в разных областях ротовой полости: нёбе, языке, горле, миндалинах, деснах и даже зубном налете. Каждая из этих зон содержит свой собственный вид бактерий.

Такие находки могут помочь определить, какие гены позволяют микробам адаптироваться к тому или иному месту, и в будущем привести к новым методам терапии, направленным на формирование микробиома.

Исследователи полагают, что их метод может быть применен практически в любой ситуации, где используются высокопроизводительные технологии для измерения состава образца — от генетического профиля опухоли до штаммов вируса гриппа.