Neue Methode zeigt, wie mikrobielle Gemeinschaften in unserem Körper funktionieren

Im letzten Jahrzehnt, Wissenschaftler haben enorme Fortschritte gemacht, um zu verstehen, dass Bakterien- und Virengruppen, die auf natürliche Weise im gesamten menschlichen Körper vorkommen, eine wichtige Rolle bei einigen lebenswichtigen Funktionen wie der Verdauung, Stoffwechsel und sogar die Abwehr von Krankheiten. Aber zu verstehen, wie sie es tun, bleibt eine Frage.

Forscher der Drexel University hoffen, diese Frage durch eine clevere Kombination aus genetischer Sequenzierung mit hohem Durchsatz und Computeralgorithmen zur Verarbeitung natürlicher Sprache beantworten zu können. Ihre Forschung, die kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht wurde PLUS EINS , berichtet über eine neue Methode zur Analyse der in RNA gefundenen Codes, die menschliche mikrobielle Gemeinschaften abgrenzen und ihre Funktionsweise aufdecken kann.

Ein Großteil der Forschung über die menschliche mikrobielle Umgebung – oder das Mikrobiom – konzentrierte sich auf die Identifizierung aller verschiedenen Mikrobenarten. Und die aufkommende Entwicklung von Behandlungen für Mikrobiota-bedingte Krankheiten basiert auf der Idee, dass Ungleichgewichte oder Abweichungen im Mikrobiom die Quelle von Gesundheitsproblemen sind. wie Verdauungsstörungen oder Morbus Crohn.

Aber um diese Ungleichgewichte richtig zu korrigieren, ist es für Wissenschaftler wichtig, ein umfassenderes Verständnis der mikrobiellen Gemeinschaften zu haben, wie sie existieren - sowohl in den betroffenen Bereichen als auch im gesamten Körper.

Wir fangen gerade erst an, die gesundheitlichen Auswirkungen der Mikrobiota zu verstehen. In vielerlei Hinsicht sind Wissenschaftler in diese Arbeit eingestiegen, ohne ein vollständiges Bild davon zu haben, wie diese mikrobiellen Gemeinschaften aussehen. wie verbreitet sie sind und wie sich ihre innere Konfiguration auf ihre unmittelbare Umgebung im menschlichen Körper auswirkt."

Gail Rosen, Doktortitel, außerordentlicher Professor am Drexel's College of Engineering, Autor des Papiers

Rosen leitet Drexels Center for Biological Discovery from Big Data, eine Gruppe von Forschern, die Algorithmen und maschinelles Lernen anwendet, um riesige Mengen an genetischen Sequenzierungsinformationen zu entschlüsseln, die in den letzten Jahren verfügbar geworden sind. Ihre Arbeit und ähnliche Bemühungen auf der ganzen Welt haben die Mikrobiologie- und Genetikforschung vom Nasslabor in das Rechenzentrum verlagert – und einen computergestützten Ansatz zur Untersuchung von Interaktionen und Evolution von Organismen geschaffen. Metagenomik genannt.

Bei dieser Art von Forschung ein Scan einer genetischen Materialprobe - DNA oder RNA - kann interpretiert werden, um die wahrscheinlich vorhandenen Organismen aufzudecken. Die von Rosens Gruppe vorgestellte Methode geht noch einen Schritt weiter, indem sie den genetischen Code analysiert, um wiederkehrende Muster zu erkennen. ein Hinweis darauf, dass bestimmte Organismengruppen - in diesem Fall Mikroben - so häufig zusammen vorkommen, dass dies kein Zufall ist.

„Wir nennen diese Methode ‚Themetagenomik, “ weil wir in Mikrobiomen nach wiederkehrenden Themen suchen, die Indikatoren für gemeinsam auftretende Mikrobengruppen sind, " sagte Rosen. "Es gibt Tausende von Mikrobenarten, die im Körper leben, Wenn Sie also über all die möglichen Kombinationen von Gruppierungen nachdenken, können Sie sich vorstellen, was für eine entmutigende Aufgabe es ist, herauszufinden, welche von ihnen in Gemeinschaft leben. Unsere Methode setzt einen Mustererkennungsalgorithmus ein, um die Aufgabe zu bearbeiten, Das spart enorm viel Zeit und eliminiert einige Vermutungen."

Aktuelle Methoden zur Untersuchung von Mikrobiota, Darmbakterien zum Beispiel Nehmen Sie eine Probe aus einem Körperbereich und sehen Sie sich dann das vorhandene genetische Material an. Diesem Prozess fehlt von Natur aus ein wichtiger Kontext, nach Angaben der Autoren.

„Es ist unmöglich, wirklich zu verstehen, was Mikrobengemeinschaften tun, wenn wir nicht zuerst das Ausmaß der Gemeinschaft verstehen und wie oft und wo sie sonst im Körper vorkommen könnten. “ sagte Steve Woloszynek, Doktortitel, und MD-Trainee am Drexel's College of Medicine und Co-Autor des Artikels. "Mit anderen Worten, Es ist schwierig, Behandlungen zu entwickeln, um das natürliche mikrobielle Zusammenleben zu fördern, wenn ihr "natürlicher Zustand" noch nicht bekannt ist."

Erhalten einer vollständigen Karte der mikrobiellen Gemeinschaften, mit Hilfe von Thementagenomik, ermöglicht es Forschern, zu beobachten, wie sie sich im Laufe der Zeit verändern - sowohl bei gesunden als auch bei kranken Menschen. Und die Beobachtung des Unterschieds zwischen den beiden gibt Hinweise auf die Funktion der Gemeinschaft, sowie die Beleuchtung der Konfiguration von Mikrobenarten, die dies ermöglicht.

„Die meisten Methoden der Metagenomik sagen Ihnen nur, welche Mikroben reichlich vorhanden sind – daher wahrscheinlich wichtig –, aber sie sagen Ihnen nicht wirklich viel darüber aus, wie jede Art andere Mitglieder der Gemeinschaft unterstützt. " sagte Rosen. "Mit unserer Methode bekommt man ein Bild von der Konfiguration der Community - zum Beispiel es kann E. coli und B. fragilis als die am häufigsten vorkommenden Mikroben und in ziemlich gleicher Anzahl enthalten - was darauf hindeuten kann, dass sie sich gegenseitig füttern. Eine andere Gemeinschaft kann B. fragilis als die am häufigsten vorkommende Mikrobe haben. mit vielen anderen Mikroben gleichermaßen, aber niedriger, Zahlen - was darauf hindeuten könnte, dass sie sich von allem ernähren, was B. fragilis herstellt, ohne jegliche Kooperation."

Eines der ultimativen Ziele bei der Analyse der menschlichen Mikrobiota besteht darin, das Vorhandensein bestimmter Mikrobengemeinschaften als Indikatoren zu verwenden, um Krankheiten wie Morbus Crohn oder sogar bestimmte Krebsarten zu identifizieren. Um ihre neue Methode zu testen, die Drexel-Forscher stellten es ähnlichen thematischen Modellierungsverfahren gegenüber, die Morbus Crohn und Mundkrebs diagnostizieren, indem sie die relative Häufigkeit bestimmter genetischer Sequenzen messen.

Die Methode der Themenagenomik erwies sich als ebenso genau bei der Vorhersage der Krankheiten, aber es tut dies viel schneller als die anderen Themenmodellierungsmethoden – Minuten im Vergleich zu Tagen – und es zeigt auch auf, wie jede Mikrobenart in der Indikatorgemeinschaft zur Schwere der Krankheit beitragen kann. Mit dieser Granularität Forscher werden in der Lage sein, bei der Entwicklung gezielter Behandlungen bestimmte genetische Gruppierungen zu berücksichtigen.

Die Gruppe hat ihre Analysetools für die Thementagenomik öffentlich zugänglich gemacht, in der Hoffnung, Fortschritte bei der Heilung und Behandlung dieser Krankheiten zu beschleunigen.

„Es ist noch sehr früh, aber je mehr wir über die Funktionsweise des Mikrobioms verstehen - auch wenn wir nur wissen, dass Gruppen möglicherweise zusammenarbeiten -, dann können wir die Stoffwechselwege dieser Gruppen untersuchen und sie eingreifen oder steuern, damit den Weg für die Arzneimittelentwicklung und Therapieforschung ebnen, “ sagte Rosen.

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