Бактерии часто демонстрируют сильную биогеографическую специализацию: некоторые бактерии процветают в одних местах и отсутствуют в других, что приводит к важным вопросам в разных областях применения микробиологии, будь то терапевтические или пробиотические применения: как бактерии оказались не в том месте? Как добавить правильные бактерии в нужное место, когда биогеография вышла из строя?
У этих вопросов, однако, есть большое препятствие. Бактерии очень крошечны и многочисленны, и имеют разнообразные и сложно устроенные популяции, что создаёт значительные трудности в понимании, какие подгруппы бактерий где живут и какие гены или метаболические способности позволяют им процветать в этих «неправильных» местах.
В новой статье, опубликованной в журнале Genome Biology, учёные из Гарвардского университета исследовали микробиом ротовой полости человека и открыли впечатляющую вариативность бактериальных субпопуляций, живущих в разных областях рта.
«Нас, экологов микробов, завораживает, что бактерии как будто подразделяют любую среду обитания на разные ниши. Но мы ещё и люди, так что нам также любопытно, как микробы распределяют себя по нашим телам», — сказал ведущий автор исследования Дэниэл Р. Уттер, аспирант на факультете организменной и эволюционной биологии в Гарвардском университете.
Недавние улучшения в подходах к секвенированию и биоинформатике позволили новым образом распутать вопрос сложности бактериальных сообществ. Уттер и Колин Кавано, почётный профессор биологии на факультете организменной и эволюционной биологии в Гарвардском университете, объединились с исследователями из лаборатории биологии моря в Вудс Хоул, относящейся к Чикагскому университету, и института Форсайта, чтобы применить эти передовые технологии секвенирования и анализа, чтобы получить более чёткую картину микробиома ротовой полости.
«Рот — идеальное место для изучения микробных сообществ, — сообщает соавтор исследования А. Мурат Эрен, доцент медицинского факультета Чикагского университета. — Он является не только началом желудочно-кишечного тракта, но также очень специфичной и небольшой средой с таким большим микробным разнообразием, что мы действительно можем начать отвечать на интересные вопросы о микробиомах и их эволюции».
Во рту содержится удивительное количество бактерий, специфичных для различных его участков. Например, микробы на языке очень отличаются от микробов на зубном налёте. «Микробы вашего языка больше похожи на те, что живут на чьём-то ещё языке, чем на те, что живут у вас в горле или на дёснах!» — сказал Эрен.
Команда прошерстила публичные базы данных и скачала 100 геномов, представляющих четыре вида бактерий, обычно встречающиеся во рту: Haemophilus parainfluenzae и три встречающихся во рту вида рода Rothia — и использовала их как эталоны для исследования образцов их «родственников», собранных во рту сотен волонтёров в рамках проекта «Микробиом человека» (ПМЧ).
«Мы использовали эти геномы как стартовую точку, но быстро перешли от них к изучению общей генетической изменчивости среди триллионов бактериальных клеток, живущих в наших ртах, — сказал Уттер. — Потому что, в конце концов, именно это интересовало нас, а не та случайная выборка, которая уже секвенирована».
Использование недавно разработанного подхода под названием «метапангеномика», который совмещает пангеномы (суммы всех генов, найденных в наборе родственных бактерий) с метагеномикой (изучение всей ДНК от всех бактерий сообществ), позволило исследователям провести глубокий разбор геномов микробов, который привёл к шокирующему открытию.
«Мы обнаружили громадную изменчивость, — сказал Уттер. — Но нас поразило распределение изменчивости по разным частям рта, а именно между поверхностями языка, щёк и зубов».
Например, внутри одного вида микробов исследователи обнаружили чёткие генетические формы, сильно ассоциированные с единственным конкретным местом во рту. Во многих случаях команде удавалось определить те гены, которые могли бы объяснить специфическую среду обитания конкретной группы бактерий. Применяя метапангеномику, исследователи также смогли определить конкретные особенности, которые отличали свободноживущие бактерии во рту людей от их родственников, выращенных в лаборатории.
«Разрешение, доступное при помощи этих техник, которые напрямую сравнивают геномы „домашних“ и „диких“ бактерий, позволило нам разобрать эти отличия ген за геном, — отмечает Кавано. — Нам также удалось определить новые штаммы бактерий, родственные тем, культуры которых у нас уже есть, но всё-таки отличающиеся от них».
«Выявив некоторых кандидатов, которые могли бы определить адаптацию бактерий к конкретной среде, мы бы хотели экспериментально протестировать эти гипотезы, — сказала Кавано. — Эти результаты могли бы быть ключом к созданию целевых пробиотиков. Учёные могли бы использовать то, что известно о требованиях к среде обитания каждого микроба, для разработки полезных микробов, которые приживались бы в конкретном месте».
«Рот так легко доступен, что люди работают с бактериями изо рта уже очень давно, — сказала соавтор исследования Джессика Марк-Уэлч, научный сотрудник лаборатории биологии моря. — Каждая среда, на которую мы смотрим, содержит эти сложно устроенные сообщества бактерий, но почему так? — продолжает она. — Понимание причин сложности этих сообществ и того, как разные бактерии взаимодействуют друг с другом, поможет нам лучше понимать и то, как исправить бактериальные сообщества, которые вредят нашему здоровью, какие микробы нужно удалить или снова добавить».
Это исследование и другие подобные могут подать новые идеи о роли микробов ротовой полости в здоровье человека. «Способность определять конкретные гены, отвечающие за адаптацию к среде обитания была чем-то вроде „святого грааля“ для экологии микробов, — сказал Уттер. — Мы очень довольны своим вкладом в эту область».
Источник: The Incredible, Variable Bacteria Living in Your Mouth
Перевод Антон Меньшенин, редактор Елена Королёва.
