Forscher katalogisieren Ihren mikrobiellen Zoo

Ein großes National Institute of Health Initiative hat den bisher umfangreichsten Katalog der Mikroorganismen veröffentlicht, die auf und im menschlichen Körper leben. Durch die Charakterisierung der Ökologie von Bakterien, Viren, Pilzen und anderen Mikroben, die gesunde Menschen bewohnen, haben die Forscher eine Basis für das normale menschliche Mikrobiom geschaffen. Die Arbeit könnte die Forschung zu Entwicklung, Fettleibigkeit, Infektionskrankheiten und mehr beschleunigen.

Die meiste Zeit leben wir in Harmonie mit den Mikroben, die unseren Körper bewohnen, aber manchmal bricht diese Harmonie zusammen, was zu Krankheiten führt, sagt Eric Grün , Direktor des National Human Genome Research Institute, einer der NIH-Institutionen, die das Mikrobiom-Projekt geleitet hat. Wir müssen besser verstehen, wie das normale Mikrobiom ist und was mit ihm passiert, wenn es sich verändert, um Krankheiten zu verursachen oder zu beeinflussen, sagt er. Dies erfordert ein Verständnis der Interaktion von Gemeinschaften in unserem Körper, nicht nur einzelner Mikroben.

Auf mikroskopischer Ebene ist der menschliche Körper eine Welt von Ökosystemen, die so unterschiedlich sind wie Wüsten und Regenwälder, von denen jedes von seiner eigenen einzigartigen Gemeinschaft von Mikroorganismen bewohnt wird. Der Mensch hat sich gemeinsam mit diesen Mikroorganismen entwickelt, von denen viele überlebensnotwendig sind. Während die medizinische und wissenschaftliche Gemeinschaft seit einiger Zeit weiß, dass die Zahl der mikrobiellen Zellen 10 zu 1 höher ist als die der menschlichen Zellen, war über die Vielfalt und Häufigkeit der Arten wenig bekannt.



Traditionell untersuchen Wissenschaftler Bakterien, indem sie sie in Einzelspezieskulturen in Labors züchten. Viele Mikrobenarten sind jedoch auf diese Weise schwer zu züchten, zum Teil, weil sie zum Überleben auf ihre Mitmenschen angewiesen sind. Die Forscher des Human Microbiome Project nahmen stattdessen gemischte DNA-Proben aus verschiedenen Körperteilen der Studienteilnehmer und sequenzierten alle gefundenen Genome. Sie untersuchten Körperteile von 242 gesunden Erwachsenen – 15 Körperhabitate bei Männern und 18 bei Frauen – von verschiedenen Stellen in Mund, Nase, Rachen, Ellbogen, Ohren, Darm und Vagina.

Das Projekt wäre ohne die billigere und schnellere DNA-Sequenzierungstechnologie, die in den letzten Jahren auf den Markt gekommen ist, nicht möglich gewesen, sagt Lita-Proktor , der die Bemühungen für das NIH koordinierte. Die Forscher verwendeten eine Maschine von Roche eine bakterienspezifische Form der DNA-Barcodierung durchzuführen, um zu bestimmen, welche Arten in mehr als 5.000 Proben vorhanden waren. Das Konsortium verwendete dann Erleuchten s-Technologie, um die DNA in fast 700 Proben zu sequenzieren, wodurch sogenannte Shotgun-Metagenomsequenzen erstellt werden. Die metagenomischen Sequenzen sind eine Mischung aller Gene, die in den mikrobiellen Gemeinschaften vorkommen, und geben den Forschern eine Stückliste der Enzyme und anderer funktioneller Moleküle, die jede mikrobielle Gemeinschaft herstellen kann.

Die Studie ergab etwa 3,5 Terabyte an Genomsequenzdaten. Das Team musste neue Rechenmethoden entwickeln, um es zu analysieren, sagt Proctor. Mit den metagenomischen Bemühungen konnte das Team verstehen, welche biologischen Funktionen die mikrobiellen Gemeinschaften erfüllen können. Das gesunde menschliche Mikrobiom enthält mindestens 10.000 mikrobielle Spezies mit etwa acht Millionen verschiedenen Protein-kodierenden Genen. Mit anderen Worten, 360-mal mehr Gene, als das menschliche Genom zu bieten hat.

Das Mikrobiom bietet uns viel mehr Funktionen, als wir ohne die Organismen hätten, sagt George Weinstock , Genomwissenschaftler am Genome Institute der Washington University in St. Louis und Leiter des Human Microbiome Project. Die Organismen innerhalb der verschiedenen Gemeinschaften haben unterschiedliche metabolische Fähigkeiten (d. h. sie produzieren unterschiedliche Enzyme und andere Moleküle), von denen der menschliche Körper zum Teil abhängig ist, um bestimmte Nahrungsmittel zu verdauen, sich gegen eindringende Krankheitserreger zu verteidigen und vieles mehr.

Die Forscher fanden heraus, dass sich die mikrobiellen Gemeinschaften nicht nur von Ort zu Ort, sondern auch von Mensch zu Mensch unterschieden, wobei bestimmte Körperstellen konsistenter waren als andere. Zum Beispiel war der Mund besonders artenreich, und Menschen, die in derselben Gemeinschaft lebten, hatten ähnliche Arten von Mikroben in ihrem Speichel (in der Studie wurden Menschen in der Nähe von Houston und St. Louis untersucht). Im Gegensatz dazu zeigten auf der Haut lebende Bakterien eine viel größere Vielfalt zwischen den Individuen.

Obwohl sich Mikroben von Person zu Person unterschieden, war das funktionelle Potenzial der Mikroben, wie es durch die Enzyme oder andere funktionelle Proteine, die in ihren Genomen kodiert sind, repräsentiert, von einem Körperteil einer Person zum anderen ähnlich. Während also die Bakterienarten im Darm verschiedener Individuen variieren können, waren die Stoffwechselprozesse, die die Gemeinschaften durchführen können, weitgehend gleich.

Obwohl die Studienteilnehmer alle gesund waren (jede wurde von mehreren Spezialisten untersucht), trugen fast alle Krankheitserreger oder Mikroben in sich. Diese Krankheitserreger schienen in den Teilnehmern friedlich nebeneinander zu existieren, und zukünftige Arbeiten werden untersuchen, was passiert, um diese Passagiere in den Angriffsmodus zu versetzen.

In einem Kommentarartikel, der in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur , David relman , ein Forscher für menschliche Mikroben an der Stanford University, der nicht an der Studie beteiligt war, stellte fest, dass eine kürzlich durchgeführte Studie über Bevölkerungen, die in weniger entwickelten Regionen der Welt leben, deutlich andere Mikrobiome aufweist als die in den Vereinigten Staaten lebenden. Er weist auch darauf hin, dass weltweit immer häufiger Erkrankungen, die Teilnehmer vom Human Microbiome Project ausgeschlossen hätten, wie Zahnfleischerkrankungen oder Übergewicht, in zukünftigen Studien berücksichtigt werden sollten.

Einige dieser Bedenken könnten in den kommenden Berichten des NIH-Projekts angesprochen werden. Die heute veröffentlichten 17 Studien in Natur und die Zeitschriften der Public Library of Science sind nur die ersten Ergebnisse des 200-Wissenschaftler-Konsortiums. Die nächsten Schritte werden darin bestehen, über das Studium des genetischen Potenzials hinaus zur tatsächlichen Funktion zu gelangen, indem die Genprodukte wie Proteine ​​untersucht werden, die vom menschlichen Mikrobiom produziert werden. Außerdem werden einige Gruppen innerhalb des Human Microbiome Project untersuchen, wie sich das Mikrobiom bei Erkrankungen wie Morbus Crohn oder Fettleibigkeit verändert.

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