Как мы изучаем микробиом

Мы знаем, что микробиом важен для поддержания здоровья человека, и когда что-то идет не так, он может способствовать заболеванию. Чтобы понять, как микробы влияют на болезни человека, нам сначала нужно понять микробный состав здорового человека — какие типы микробов присутствуют и что они делают? Эти вопросы имеют решающее значение, и многие исследовательские группы по всему миру работают вместе, чтобы ответить на них. Однако чем больше мы узнаем о микробиоме, тем больше понимаем, что есть новые вопросы, которые необходимо задать.

Исследователи из многих учреждений по всему миру объединяются, чтобы ответить на важные вопросы о микробиоме: есть ли у людей общий основной микробиом? Есть ли у родственников или членов сообщества похожие микробиомы? Как меняется микробиом человека в течение дня, года или всей жизни?

Люди давно изучают микробы. Ранние методы исследования включали взятие образца у пациента и выращивание его в лаборатории, где его можно было изучить, используя комбинацию методов культивирования, микроскопии и окрашивания. Это хорошо работает для микробов, которые легко растут в культуре, таких как кишечная палочка. coli, но большинство микробов нельзя выращивать в культуре. Новые технологии, такие как секвенирование ДНК, можно применять с использованием образцов, взятых непосредственно у пациентов, поэтому эти методы особенно важны для изучения микробов, которые нельзя культивировать.

Маркеры помогают ученым идентифицировать микробы на основе короткой уникальной последовательности ДНК. Чтобы подумать, как это возможно, представьте себе несколько строк из известной книги. Возможно, вы сможете использовать эту информацию для идентификации книги.

Важной целью исследования является изучение того, какие виды микробов живут на здоровом человеческом теле. Тем не менее микробные сообщества могут сильно отличаться от одного здорового человека к другому, и они даже различаются от одного места к другому у одного и того же человека. Эта изменчивость затрудняет описание «нормального» микробиома. Исследователи решают эту проблему, беря образцы у сотен людей и собирая информацию. Они также смотрят в разные места, в том числе носовые, ротовые, кожные, желудочно-кишечные и мочеполовые.
Исследователи используют секвенирование ДНК для идентификации микробов в образцах. Одним из распространенных методов является секвенирование маркера: короткой уникальной последовательности ДНК, которую можно использовать для идентификации содержащего ее генома. Используя маркеры, исследователи могут идентифицировать микроб без необходимости секвенирования всего его генома. Этот ярлык позволяет им очень быстро идентифицировать все виды, присутствующие в огромном количестве образцов.
Даже секвенируя маркеры вместо целых геномов, исследователи, изучающие микробиом, генерируют огромные объемы данных. Много работы также посвящено разработке новых компьютерных инструментов и технологий, чтобы сделать анализ данных более управляемым.

Одним из распространенных маркеров ДНК является ген, который кодирует субъединицу 16S рибосомной РНК, важной части клеточного механизма построения белка. Исследователи секвенируют этот короткий фрагмент ДНК и проводят поиск в базах данных, чтобы выяснить, принадлежит ли он известному виду или тому, который еще не идентифицирован.
Для получения более подробной информации об анализе ДНК 16S посетите сайт Investigating Microbial Diversity .

Люди и микробы зависят друг от друга: наши тела обеспечивают микробов ресурсами, а микробы обеспечивают функции, необходимые для нашего здоровья. Выяснение того, что делают микробы, поможет нам понять эту взаимосвязь.
Когда мы идентифицируем микробы в образце, мы не всегда можем сказать, что они делают. Даже в пределах одного вида микробы не идентичны. Они часто имеют разные гены и поэтому выполняют разные метаболические функции. Из-за этого мы часто изучаем микробы с помощью метагеномики — метода, который выявляет биологические функции всего сообщества. Например, исследователи, использующие метагеномику, могут взять образец кишечника и секвенировать гены каждого присутствующего микроба. Затем они могут посмотреть на комбинацию генов, которыми обладает все сообщество, и использовать эту информацию для описания выполняемых функций.
Метагеномика не идентифицирует отдельные микробы, но в некотором смысле это преимущество. Микробы часто работают вместе; различные виды в микробном сообществе обычно зависят от продуктов метаболизма своих соседей как от ресурсов. Если бы исследователи анализировали один микроб за раз, они могли бы упустить важную информацию. На самом деле, метагеномные исследования показывают, что зачастую для здоровья важен набор функций, которые обеспечивают микробы, а не присутствие или отсутствие конкретного микроба. Например, в здоровом кишечнике есть бактерии, которые производят витамины. Кажется, не имеет значения, какие виды бактерий присутствуют в производстве витаминов, пока работа выполняется.

Мы многое узнали о микробиоме, но еще многого не понимаем. Например, спрашивая «Кто там?» исследователи обнаружили, что почти все здоровые люди являются носителями микробов, способных вызывать заболевания. Тем не менее, нам все еще нужно узнать, что заставляет их становиться вредными. Спрашивая: «Что делают микробы?» мы выделили ряд функций, выполняемых микробами, которые имеют решающее значение для поддержания здоровья человека. Это поднимает вопросы о том, как микробиом меняется с течением времени, как сообщество остается сбалансированным и как изменения влияют на здоровье человека.