Группа ученых из США разработала новое бактериальное сообщество, включающее 119 видов микробов, естественным образом присутствующих в организме человека. Исследование опубликовано в журнале Cell . 

Исследование: проектирование, конструирование и увеличение in vivo сложного кишечного микробиома . Изображение предоставлено: Владимир Зозулинский / Shutterstock

Фон

Желудочно-кишечный тракт человека (ЖКТ) содержит широкий спектр микроорганизмов, которые в совокупности называются кишечной микробиотой. Около 30 триллионов микробов в желудочно-кишечном тракте играют решающую роль в регулировании широкого спектра физиологических функций, включая пищеварение, обмен веществ, иммунный ответ и неврологическую активность.

Любое изменение микробного состава и разнообразия кишечника называется дисбиозом, состоянием, ответственным за возникновение многих воспалительных заболеваний и инфекций. Однако, несмотря на достижения в области знаний, до сих пор неясно, как и в какой степени кишечная микробиота связана с физиологией и патофизиологией человека.

В текущем исследовании ученые разработали и охарактеризовали синтетическое бактериальное сообщество, представляющее наиболее распространенные микробные виды, обнаруженные в эндогенной микробиоте кишечника человека.

Развитие бактериального сообщества

Сначала ученые разработали сложное микробное сообщество, содержащее 104 бактериальных штамма. Они проанализировали данные метагеномной последовательности из проекта Human Microbiome Project, чтобы определить наиболее распространенные бактериальные штаммы. Затем, проведя серию экспериментов, они измерили точную численность каждого штамма бактерий в образовавшемся сообществе.

Они определяли взаимодействия штамм-штамм и штамм-питательные вещества, систематически воздействуя на сформированное сообщество и среду его роста. Таким образом, можно было понять конкуренцию за питательные вещества и использование питательных веществ в сообществе, зависящее от мутуализма. В целом, они определили специфические «краеугольные» аминокислоты, которые необходимы для определения состава сообщества.

Колонизация мышей бактериальным сообществом

В следующей части исследования ученые колонизировали это бактериальное сообщество у стерильных мышей в течение четырех недель и определили его стабильность. Затем они заразили мышей образцом человеческих фекалий. Этот шаг был выполнен для обеспечения развития более определенного бактериального сообщества, которое лучше представляет микробиоту кишечника человека.

Enzymedica, Digest, полная формула ферментов, 240 капсул

Они определили состав сообщества, проанализировав образцы фекалий, взятые у мышей. Полученные данные показали, что вновь сформированное, более обогащенное сообщество содержит в общей сложности 119 бактериальных штаммов, из которых 97 были из исходного сообщества и 22 были новыми штаммами.

Колонизация мышей новым бактериальным сообществом

Сначала ученые колонизировали это новое сообщество на стерильных мышах и заразили их тем же образцом человеческих фекалий. Затем, проанализировав образцы фекалий мышей, они обнаружили, что новое сообщество более обогащено и устойчиво к фекальной нагрузке, а его колонизационная устойчивость к патогенам значительно выше, чем исходное сообщество.

Характеристика нового бактериального сообщества

Ученые провели серию экспериментов на стерильных мышах, колонизированных образцами фекалий человека или новым бактериальным сообществом. Полученные данные показали, что состав нового сообщества напоминает состав фекального сообщества человека в кишечнике мыши. Новое сообщество также продемонстрировало высокую степень биологической воспроизводимости, что оправдывает его применимость в качестве экспериментальной модели.

Фенотипическая характеристика нового сообщества выявила такую ​​же плотность колонизации в кишечнике мыши, как и в нормальном фекальном сообществе человека. Более того, новое сообщество демонстрировало фенотипы, сравнимые с нормальными фекальными сообществами человека, с точки зрения иммунных и метаболических реакций.

Колонизационная устойчивость к Escherichia coli 

Чтобы еще больше подтвердить экспериментальную полезность нового бактериального сообщества, ученые определили его способность противостоять колонизации патогенами. Они выбрали энтерогеморрагическую кишечную палочку для инвазии, поскольку известно, что колонизация этого бактериального штамма вызывает опасные для жизни диарейные инфекции, гемолитико-уремический синдром, недоедание и воспалительное заболевание кишечника.   

Они экспериментировали, колонизируя стерильных мышей новым бактериальным сообществом, или ранее изученным сообществом из 12 членов (контроль), или неизвестным сообществом человеческих фекалий (положительный контроль).

Полученные данные показали, что как новые бактериальные сообщества, так и сообщества фекалий человека проявляют сходные уровни устойчивости к колонизации против патогенной кишечной палочки . Напротив, сообщество из 12 членов не смогло противостоять колонизации E. coli и, таким образом, допускало значительно более высокие уровни роста E. coli .

Дальнейший анализ показал, что Firmicutes, тип грамположительных бактерий, играет жизненно важную роль в устойчивости к колонизации E. coli .

Значение исследования

В исследовании описывается развитие и характеристика сложного, определенного бактериального сообщества, которое напоминает естественную микробиоту кишечника человека. Это новое сообщество проявляет сильную устойчивость к колонизации против патогенной E. coli .

Как отмечают ученые, новое бактериальное сообщество можно использовать в качестве экспериментальной модели для изучения влияния штаммов кишечных бактерий на физиологию и здоровье хозяина.