Согласно новой работе команды Карнеги Уилла Лудингтона, взаимодействие между видами микробов, живущих в желудочно-кишечной системе, часто оказывает большое и непредсказуемое влияние на здоровье. Их выводы опубликованы на этой неделе в трудах Национальной академии наук.

На фото: Изображение криптов кишечника мухи в сверхвысоком разрешении, колонизированное нативными бактериями Lactobacillus (красная) и Acetobacter (зеленая). Ядра мух клеток кажутся голубыми. Фото: Бенджамин Обадия.

Микробиом кишечника представляет собой экосистему из сотен и тысяч видов микроорганизмов, обитающих в организме человека. Разнообразие в кишечнике человека создает проблему для каталогизации и понимания влияния этих сообществ на наше здоровье.

Биологи особенно заинтересованы в том, чтобы определить, больше ли микробиом в целом, чем сумма его частей. Другими словами, в какой степени отдельные виды влияют на наше здоровье и физиологию, и в какой степени эти воздействия определяются взаимодействием между видами, присутствующими в наших микробиомах?

Лудингтон и его команда, в том числе молекулярные биологи Элисон Гулд, Вивиан Чжан и Бенджамин Обадия из Калифорнийского университета в Беркли; физики Эрик Джонс и Джин Карлсон из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре; а математики Лиза Ламберти, Николаос Корасидис и Нико Беренвинкель из ETH Zurich и Алекс Гаврюшкин из Университета Отаго — использовали естественный простой микробиом плодовых мушек для всестороннего раскрытия кишечной экосистемы. Команда обнаружила, что взаимодействие между видами в кишечном микробиоме влияет на здоровье мухи и даже на долголетие.

«Классический способ, которым мы думаем о видах бактерий, заключается в черно-белом контексте в качестве возбудителей болезней — либо он у вас, либо нет», — сказал Лудингтон. «Наша работа показывает, что это не так для микробиома. Эффекты конкретного вида зависят от контекста, в котором присутствуют другие виды ».

Из исследований плодовой мухи давно известно, что популяции кишечных бактерий могут влиять на развитие, плодовитость и продолжительность жизни хозяина. В 1927 году Хелен Стейнфельд из Калифорнийского университета в Беркли обнаружила, что, просто удаляя кишечные бактерии из плодовых мушек своей лаборатории, она может продлить их продолжительность жизни на 14 процентов.

Команда Лудингтона повторила эксперимент и нашла аналогичное увеличение продолжительности жизни на 23 процента, когда они удалили определенные микробиомы своих мух. Но им было неясно, насколько это влияние было обусловлено присутствием отдельных видов, а сколько — их общей микробной экологией.

Лудингтон и его команда основали работу Штейнфельда на изучении микробиома кишечника плодовой мухи и лучшего понимания того, как эти микроорганизмы формируют жизнь их насекомых-хозяев.

Они разработали систему для картирования всех возможных взаимодействий между пятью видами бактерий, обнаруженных в кишечнике мухи, чтобы увидеть, как они влияют на развитие насекомого, производство потомства и продолжительность жизни, которые в совокупности определяют его приспособленность. Анализ взаимодействий потребовал разработки новых математических подходов, которые основаны на геометрии пятимерного куба, где каждый вид является новым измерением.

Команда обнаружила, что взаимодействия между микробными популяциями так же важны для физиологии мух, как и отдельные виды. С точки зрения 23-процентного изменения продолжительности жизни, отдельные виды могут составлять только одну четверть эффекта, в то время как взаимодействия составляют остальные. Эти взаимодействия очень сильно влияют на некоторые, но не на все факторы, которые определяют вероятность того, что муха передаст свой генетический материал новому поколению.

«Когда мы изучили общее количество того, что мы называем пригодностью мухи — это шансы выжить и создать потомство, — мы обнаружили, что был найден компромисс между короткой продолжительностью жизни с большим количеством потомков по сравнению с длительной продолжительностью жизни с небольшим количеством потомства», — говорит Лудингтон. объяснил. «Этот компромисс был опосредован взаимодействиями микробиома. Это означает, что если мы хотим понять, как микробиом влияет на наше здоровье, нам необходимо выработать прогнозное понимание того, как комбинации бактерий влияют на хозяина, а не только на отдельные виды ».

Кроме того, инструменты измерения и анализа, разработанные для этого исследовательского проекта, демонстрируют, что плодовая муха является хорошей моделью для понимания более сложных взаимодействий микробиома у людей и других животных, которые будут важны для будущей работы.

По материалам phys.org