سویه‌ها، نه گونه‌های میکروب‌های روده، کلید سلامت و بیماری هستند

هر روز میلیاردها باکتری که در سیستم گوارش شما زندگی می کنند تغییر می کنند. غذایی که می‌خورید، داروهایی که مصرف می‌کنید و میکروب‌هایی که در معرض آنها قرار می‌گیرید باعث می‌شوند برخی از باکتری‌ها بیشتر از بقیه رشد کنند. دانشمندان می‌دانند که این تعادل دائمی در حال تغییر میکروب‌های روده با سلامتی و بیماری شما مرتبط است، اما تلاش کرده‌اند تا مشخص کنند چه چیزی باعث می‌شود تعادل میکروبی بهتر از دیگری باشد.

در طول دهه گذشته، دانشمندان به طور کلی میکروبیوم یک فرد – مجموعه ای از میکروب های موجود در روده انسان – را با مشخص کردن گونه هایی از باکتری ها و در چه مقداری توصیف کرده اند. اکنون، گروهی از محققان به سرپرستی دکتر کیتی پولارد در مؤسسه گلادستون دو مطالعه جدید را منتشر کرده‌اند که نشان می‌دهد نظارت بر گونه‌های باکتری – و نه فقط گونه‌ها – ممکن است بینش بهتری در مورد میکروبیوم ارائه دهد.

گونه‌های باکتریایی کمی شبیه نژادهای سگ یا گونه‌های گوجه‌فرنگی هستند – بخش‌هایی از یک گونه، در عین حال متمایز از یکدیگر.

پولارد، مدیر مؤسسه علوم داده و بیوتکنولوژی گلادستون و نویسنده اصلی این دو مطالعه، می‌گوید: «من فکر می‌کنم محققان تنها با تمرکز بر روی گونه‌های میکروب‌ها اطلاعات زیادی را از دست داده‌اند. زمانی که رویکرد دقیق‌تری در پیش بگیریم و به سویه‌های باکتری‌ها نگاه کنیم، پیش‌بینی می‌کنم که شروع به یافتن پیوندهای علی بین میکروبیوم و بیماری‌ها کنیم.»

در یک مطالعه منتشر شده در مجله بیوتکنولوژی طبیعتآزمایشگاه پولارد با دکتر استفان نایفاچ، دانشمند تحقیقاتی در مؤسسه ژنوم مشترک وزارت انرژی ایالات متحده، برای ایجاد یک روش محاسباتی جدید برای تجزیه و تحلیل سویه های باکتری موجود در نمونه میکروبیوم بسیار سریعتر و مقرون به صرفه تر از موجود کار کرد. فن آوری ها پولارد می‌گوید رویکرد جدید محققان را قادر می‌سازد تا تجزیه و تحلیل‌های بزرگ‌تر و دقیق‌تری از میکروبیوم نسبت به قبل انجام دهند.

در مقاله جداگانه ای که به صورت آنلاین در تحقیقات ژنومیپولارد با آزمایشگاه‌های دکتر بنجامین گود و دکتر مایکل اسنایدر در دانشگاه استنفورد برای ردیابی سویه‌های باکتری موجود در میکروبیوم یک فرد در ۱۹ نقطه زمانی مختلف در یک دوره ۵ ماهه همکاری کرد. از جمله قبل و بعد از یک دوره آنتی بیوتیک. آنها دریافتند که در برخی موارد، فراوانی گونه‌ای از باکتری‌ها بین زمان‌های زمانی ثابت می‌ماند، اما سویه‌های درون آن گونه به‌طور چشمگیری تغییر می‌کند.

معنی دار کردن میکروبیوم ها

در داخل روده شما، باکتری ها احتمالاً چیزی بیش از هضم غذای شما انجام می دهند. در واقع، مطالعات نشان داده است که افراد مبتلا به بیماری‌های متنوعی مانند بیماری التهابی روده، آسم، اوتیسم، دیابت و سرطان در مقایسه با افراد سالم، باکتری‌های متفاوتی در سیستم گوارشی خود دارند. اما درمان های کمی که میکروبیوم را هدف قرار می دهد از این مشاهدات تاکنون پدید آمده است.

از آنجایی که هر باکتری کد ژنتیکی خود را دارد، دانشمندان برای کشف باکتری‌هایی که در میکروبیوم هر فرد زندگی می‌کنند، بر توالی‌یابی DNA تکیه می‌کنند. اما تجزیه و تحلیل توالی های DNA به دلیل اندازه و پیچیدگی داده ها دشوار است. اگرچه محققان می توانند از روش های موجود برای تعیین گونه های موجود استفاده کنند، اما این روش ها تنها بخشی از تصویر تنوع و عملکرد میکروبیوم را ارائه می دهند. این به این دلیل است که سویه های مختلف در یک گونه از باکتری ها می توانند دارای تفاوت های ژنتیکی قابل توجهی باشند که اغلب به اندازه کافی بزرگ هستند تا رفتارهای متفاوتی را القا کنند.

تاکنون، شناسایی تفاوت‌های ژنتیکی در یک نمونه میکروبیوم نیازمند قدرت محاسباتی با کارایی بالا و ذخیره‌سازی ابری بوده است – چیزی که در اکثر آزمایشگاه‌ها در دسترس نیست. محققان مجبور شدند میلیون‌ها قطعه DNA از ژنوم هزاران باکتری موجود در میکروبیوم را با یک پایگاه داده با توالی‌های هر میکروارگانیسم شناخته‌شده، با استفاده از تکنیکی به نام همترازی توالی مقایسه کنند.

پولارد، که همچنین استاد دانشگاه UC سانفرانسیسکو و محقق چان زاکربرگ Biohub است، می‌گوید: «الگوریتم‌هایی برای تجزیه و تحلیل توالی‌های ژنتیکی برای ژنوم انسان ایجاد شده‌اند. آنها برای چالش تعیین توالی ژنوم یک ارگانیسم بسیار خوب عمل می کنند، اما نه برای اهداف ما برای توالی یابی ژنوم هزاران موجود ناشناخته به طور همزمان.”

پولارد و همکارانش می‌دانستند که توالی‌های طولانی ژنوم در میان بسیاری از گونه‌ها یا سویه‌های باکتریایی رایج است. بنابراین، این توالی ها را نمی توان برای کمک به مشخص کردن یک سویه باکتری خاص استفاده کرد. این تیم با الهام از رویکردهایی که تنها متغیرترین مناطق ژنوم انسان را تجزیه و تحلیل می‌کنند، شروع به یافتن حداقل مقدار اطلاعات توالیی کردند که باید از داده‌های میکروبیوم برای شناسایی سویه‌های موجود در آن استخراج کنند.

محققان بیش از 100000 ژنوم با کیفیت بالا و در دسترس عموم را از تقریباً 900 گونه باکتریایی که معمولاً در روده انسان یافت می شوند، تجزیه و تحلیل کردند. آنها 104 میلیون رشته کوتاه DNA را در ژنوم باکتری ها کشف کردند که اغلب بین سویه های باکتری متفاوت است. سپس، آنها از این اطلاعات برای طراحی یک الگوریتم جدید به نام GenoTyper برای پروکاریوت ها (GT-Pro) استفاده کردند که داده های توالی میکروبیوم را برای مطابقت دقیق با رشته های کلیدی که به عنوان شناسه گونه های باکتری عمل می کنند، جستجو می کند. برخلاف روش‌های قبلی هم‌ترازی توالی، GT-Pro در حافظه لپ‌تاپ جای می‌گیرد و به محاسبات با کارایی بالا و اعتبارات ابری نیاز ندارد.

نایفاچ می‌گوید: «با انفجار ژنوم‌های تازه توالی‌یابی‌شده از میکروبیوم روده و محیط‌های دیگر، اکنون می‌توانیم نقشه‌های ژنتیکی دقیقی برای هزاران گونه باکتری ایجاد کنیم». رویکرد ما از این اطلاعات قبلی برای شناسایی سریع و جامع گونه‌های ژنتیکی در نمونه میکروبیوم بدون انجام هم‌ترازی‌های توالی زمان‌بر استفاده می‌کند.»

زمینه تحقیقات قبلاً به دلیل این واقعیت محدود شده بود که تنها چند آزمایشگاه در سراسر جهان پول یا سخت افزار رایانه ای برای تجزیه و تحلیل داده های میکروبیوم در تفکیک سویه ها دارند.

پولارد می گوید: «الگوریتم جدید ما دری را برای همه باز می کند تا بتوانند به این سطح از وضوح در رایانه شخصی دست یابند.

قبل و بعد از آنتی بیوتیک

یکی از سؤالاتی که محققان میکروبیوم در سال های اخیر در تلاش برای پاسخ به آن بوده اند این است که میکروبیوم در بدن یک فرد در طول زمان چقدر تغییر می کند. این سوال در سطح گونه ای مطرح شده است. دانشمندان چگونگی تغییر ترکیب گونه ای میکروبیوم های افراد همراه با رژیم غذایی، بیماری یا تغییرات محیطی را ردیابی کرده اند. اما نتایج در توضیح چگونگی عملکردهای جدید میکروبیوم مانند مقاومت آنتی بیوتیکی یا توانایی غیرفعال کردن داروهای شیمی درمانی، زمانی که ترکیب گونه ها از ماه به ماه ثابت می ماند، ناکام مانده است.

پولارد و همکارانش می‌خواستند با تجزیه و تحلیل اینکه چگونه گونه‌های باکتری‌ها، به جای گونه‌ها، در طول زمان تغییر می‌کنند، به این سؤال در سطح عمیق‌تری بپردازند. آنها روشی را که برای توالی یابی تک سلولی انسان طراحی شده بود، تغییر دادند و از آن برای بارکد کردن مولکول های DNA باکتریایی استفاده کردند. این گروه را قادر ساخت تا در طی یک مطالعه 5 ماهه، گونه های فردی باکتری را در یک فرد ردیابی کنند.

این تیم میکروبیوم یک فرد سالم را تقریباً یک بار در هفته طی 5 ماه توالی یابی کردند. در طی آن دوره زمانی، به طور شگفت‌انگیزی به بیماری لایم تشخیص داده شد و یک دوره 2 هفته‌ای آنتی‌بیوتیک دریافت کرد که برای از بین بردن بسیاری از گونه‌های باکتری، از جمله باکتری‌هایی که در روده انسان زندگی می‌کنند، شناخته شده بود.

گود، استادیار فیزیک کاربردی در استنفورد می‌گوید: «آنچه ما فرض کردیم این است که تعداد زیادی از میکروب‌ها با آنتی‌بیوتیک‌ها کمتر می‌شوند و سپس بهبود می‌یابند، اما میکروبیوم در پایان کم و بیش شبیه میکروبیوم در ابتدا خواهد بود.» .

در برخی موارد، این درست بود – گونه‌ها و سویه‌های خاصی از میکروب‌ها به‌طور قابل‌توجهی انعطاف‌پذیر بودند و با ژنوم‌های تقریباً بدون تغییر در شروع و پایان دوره 5 ماهه حضور داشتند. اما در موارد دیگر، سویه‌های موجود پس از آنتی‌بیوتیک‌ها از نظر ژنتیکی با نمونه‌های اولیه متفاوت بودند، حتی اگر فراوانی گونه‌ها تغییری نکرد. نکته مهم این است که اگر تیم فقط گونه‌های موجود در هر نمونه میکروبیوم را تجزیه و تحلیل می‌کرد، این تفاوت‌ها نادیده گرفته می‌شد.

اگرچه الگوریتم GT-Pro هنوز برای استفاده در این مطالعه در دسترس نبود، پولارد می‌گوید که انجام مطالعات آینده مشابه را بسیار آسان‌تر و ارزان‌تر می‌کند.

ترسیم مسیری جدید برای مطالعات میکروبیوم

باکتری‌های موجود در بدن شما مانند یک جنگل هستند – یک اکوسیستم زنده و در حال تغییر با موجوداتی که در یک تعادل ظریف همزیستی دارند. وقتی از بالا به تصاویر ماهواره‌ای نگاه می‌کنند، بوم‌شناسان می‌توانند عمیق‌ترین و شدیدترین تغییرات جنگل را زیر نظر بگیرند، اما پیچیدگی‌های ظریف‌تری را که محیط را شکل می‌دهند، از دست خواهند داد.

به طور مشابه، کسانی که میکروبیوم را با مشاهده چگونگی تغییر گونه‌ها مطالعه می‌کنند، دید سطح بالایی از شبکه پیدا کرده‌اند و تنها واضح‌ترین ارتباط‌ها را با سلامت و بیماری می‌بینند. پولارد می‌گوید، اما با GT-Pro و دیدگاه جدیدی از سویه‌های میکروبی، پیوندهای جدیدی آشکار خواهند شد.

پولارد می‌گوید: «هنوز کار زیادی برای درک پیامدهای عملکردی تفاوت‌ها در میکروبیوم وجود دارد. “اما تا به حال، ما ابزار اندازه گیری مناسب برای پرسیدن این سوالات را نداشتیم – و اکنون داریم.”