מיפוי דינאמי חושף דינמיקה נסתרת של מיקרוביומה של הבטן

על ידי מעקב אחר כל מהלך ומוטציה של חיידקי מעיים ילידים ו- E. coli, מדענים חשפו כיצד עבודת צוות קהילית יכולה לעשות או לשבור השתלטות חיידקית במעיים.

מחקר: כימות האינטראקציות הקהילתיות תוך-מינים במיקרוביומים על ידי מיפוי משתנות דינאמי. קרדיט תמונה: Kateryna Kon/Shutterstock.com

מחקר שפורסם ב תקשורת טבע מדווח כי אינטראקציות מורכבות בין-מינים בין מינים בין א. קולי וקהילות חיידקי מעיים ילידיות מעצבות את הקולוניזציה של E. coli במעי העכבר.

רֶקַע

ההרכב, היציבות והתפקוד של מיקרוביוטה של מעי קשורים קשר הדוק לבריאותו ולמחלתו של המארח. מאפייני המיקרוביוטה הללו נקבעים על ידי אינטראקציות בין מינים שונים בקהילה (אינטראקציות בין מינים). השיטה הסטנדרטית הזהב למדידת אינטראקציות קהילתיות היא לבצע ניסויים בתחרות בתרבות זוגית בבעלי חיים או בתרבויות חיידקיות.

מדידת אינטראקציות אלה היא אסטרטגיה שימושית לחיזוי כללי הרכבה פשוטים של הקהילה. עם זאת, חיידקים חווים במקביל כמה מינים ומתמודדים עם תנאים מאתגרים בסביבתם הטבעית, שקשה לחקות בתרבויות חיידקיות הגדלות במסגרת מעבדה. חלק מהמינים הללו אפילו מאתגרים לבידוד ותרבות.

מלבד אינטראקציות בין מינים, חיידקים השייכים למין יחיד מתקשרים זה עם זה, בעיקר בגלל הווריאציות הגנטיות שלהם הנובעות ממוטציות. עם זאת, סוג זה של אינטראקציה בין-מינים והשפעתו על הרכב הקהילה והיציבות נבדקו לעיתים רחוקות בניסוי.

בהתחשב בחשיבותם של אינטראקציות בין-מינים בין-מינים בעיצוב היציבות והדינמיקה של מיקרוביוטה, החוקרים פיתחו גישה כללית, המכונה מיפוי משתנה דינמי (DCM), כדי להעריך אינטראקציות קהילתיות מנתוני שפע של שפע של קהילה. הם יישמו DCM במהלך א. קולי קולוניזציה של מיקרוביומה של מעי העכבר. בניגוד למודלים מסורתיים, DCM אינו מניח שחוזקות אינטראקציה בין מינים קבועות לאורך זמן, ומאפשרות לה לתפוס את השינויים הזמניים והדינמיקה האבולוציונית בתוך הקהילה.

המחקר

החוקרים כימתו אינטראקציות בין-מינים ואינטר-מינים במהלך א. קולי קולוניזציה במיקרוביומה של מעיים של שלוש קבוצות שונות של עכברים: עכברים נטולי נבט, עכברים עם מיקרוביומה מופחתת כתוצאה מטיפול מקדים אנטיביוטי ועכברים עם מיקרוביומה מולדת. הם השתמשו בעכברים שטופלו באנטיביוטיקה אך לא היו מושבים על ידי א. קולי כבקרות ניסיוניותו

הם הציגו את ה- DNA-Barcoded א. קולי אוכלוסיות בעכברים ניסויים ואספו דגימות צואתיות בנקודות זמן שונות כדי לתפוס את הקינטיקה של א. קולי מעבר במעיים. הם חילצו DNA גנומי חיידקי מדגימות צואתיות וניהלו רצף עמוק של האזור הברקוד של א. קולי למעקב אחר שושלת ברזולוציה גבוהה במהלך קולוניזציה של מעיים. הם גם עקבו אחר כך את הדינמיקה הקהילתית של חיידקים תושבים באמצעות פרופיל RRNA 16S.

לאחר מכן הם שילבו נתוני סדרת זמן שפע של קהילה ברזולוציה גבוהה עם DCM בכדי לכמת אינטראקציות בין-מינים ואינטר-מינים במהלך הקולוניזציה. כדי לזהות שינויים בדינמיקה, החוקרים השתמשו בניתוח רכיבים עיקרי (PCA) בערכי העצמיות המתמטיים הנגזרים מ- DCM, מה שמאפשר להם להגדיר ולהבחין ב"שלבים "זמניים מובהקים של קולוניזציה והתאוששות קהילתית.

הכותבים ביצעו גם הדמיות טכניות כדי להבטיח שגורמים ניסיוניים, כמו הטיה של PCR ונשירה ברקוד, לא בבלו את מעקב שושלת הברקוד ברזולוציה גבוהה, ואישרו את אמינות הנתונים שלהם.

ממצאי מפתח

ניתוח DCM זיהה שלבים זמניים מובחנים ביישובים רגישים במהלך הקולוניזציה. הצגתו של א. קולי במעי העכבר עם מיקרוביומה מופחתת גרמה להפחתה ראשונית בשפע של כמה קהילות חיידקים תושבות, ואחריהן התחדשות של קהילת החיידקים התושבת ודו קיום לאחר מכן עם א. קולי.

ניתוח נוסף של אשכולות משותפת בין א. קולי שיבוטים וקהילות תושבים חשפו כי שלבים זמניים אלה מעוצבים על ידי אינטראקציות בין-מינים. ספֵּצִיפִי א. קולי שושלות שיבוט, המובחנות על ידי ברקוד, היו קשורות שוב ושוב עם דינמיקת השפע של משפחות חיידקים ספציפיות, כגון Lachnospiraceae וכן Enterococcaceaeו

רצף גנום שלם שנערך על מושבות שנבחרו בנפרד מדגימות צואתיות מתורבתות זיהו מוטציות בעקבות קולוניזציה שהיו משותפות הן לעכברי מיקרוביוטה נטולי נבט והן מופחתים. מוטציות אלה, שזוהו בעקביות על פני עכברים ומושבות אינדיבידואליות שונות, מרמזות על חשיבותן ההסתגלותית ועשויות להיחשב למנגנונים גנטיים הגורמים לשינויים בין מינים.

מוטציות מרכזיות כללו מחיקות גדולות בגנים הקשורים לתנועתיות, כמו flhe-flhd אזור, שינויים בגנים המעורבים במטבוליזם של סוכר, כמו רגולון מלטוז ומדכא אופרון לקטוז LACIואפילו שינויים נרדפים בגנים מטבוליים ליבה, כמו איזוציטראט דהידרוגנז. רבות מהמוטציות הללו נקשרו בעבר להתאמה במעיים, מכיוון שהן יכולות להשפיע על תנועתיות, ייצור ביופילם ועל תפקוד מטבולי יסודי של מושבת א. קולי.

חלק מההתאמות הגנטיות הללו היו ייחודיות לסוג הסביבה של המיקרוביומה (ללא נבט או מופחתת באנטיביוטיקה), בעוד שאחרים הופיעו בשתי הקבוצות, והדגישו לחצים אבולוציוניים מתכנסים וגם ספציפיים להקשר במהלך הקולוניזציה.

משמעות המחקר

המחקר מספק גישה כללית לכימות אינטראקציות קהילתיות מיקרוביאליות והשלכותיהם על היציבות והדינמיקה של המיקרוביומה, במיוחד בעקבות הפרעה שנגרמה על ידי מינים פולשים.

גישת DCM שפותחה במחקר מייצגת גישה מודלית לניתוח יציבות הקולוניזציה של המיקרוביאל ושלבים זמניים מובחנים, החל פשוט מנתוני שפע של סדרת זמן ברזולוציה גבוהה.

העיקרון העובד של DCM דומה למסגרות מתמטיות כלליות, כמו מודל Lotka-Volterra (GLV), המשמשים לחקר הדינמיקה של מינים אינטראקציה במערכת אקולוגית. עם זאת, מודל ה- GLV אינו שוקל נוכחות של מוטציות, וריאציות תוך-מינים וקולוניזציה; במקום זאת, היא מניחה סביבה מתמדת. מודל זה, אפוא, אינו יכול לתפוס את המורכבות של אינטראקציות דינאמיות המתרחשות במהלך קולוניזציה של מיקרוביומה של מעי.

מצד שני, DCM מקשר בין קצב הצמיחה של המין לשפע של חברי קהילה אחרים ואינו מניח שמטריצת חוזק האינטראקציה בקהילה היא קבועה. על ידי שילוב שינויים תלויים בזמן ונתוני שושלת ברזולוציה גבוהה, DCM יכול לחשוף את יחסי הגומלין בין דינמיקה אקולוגית (ברמה הקהילתית) לדינמיקה אבולוציונית (פנים-מינים) המניעים הרכבה ויציבות קהילתית מיקרוביאלית.

מאפיינים אלה הופכים את DCM למודל מבטיח לניתוח דינמיקה אקולוגית-אבולוציונית משולבת, כאשר מיקרוביומה של הבטן משמשת כמערכת אקולוגית וריאציות גנטיות תוך-מיזוגיות משמשות דינמיקה אבולוציונית.

חולשה פוטנציאלית אחת של DCM היא שתדירות דגימת השפע צריכה לתפוס מספיק את העושר בדינמיקה הקהילתית מכיוון שמודל זה תלוי אך ורק בנתוני סדרות זמן של שפע מיקרוביומה. דגימה בתדר גבוה ודגימה מדויקת הם קריטיים כדי להבטיח ששינויים מהירים או עדינים במיקרוביוטה לא יפספסו.

המחקר מדגיש גם את החשיבות של "התנגדות קהילתית", כעכברים עם מיקרוביומה מולדת (לא מופרכת) מתנגדים במידה רבה לקולוניזציה של E. coli ומראים תגובות משתנות בין יחידים. ניתוח DCM מציין מעט שלבים זמניים או לא נבדלים של פלישה בעכברים עמידים אלה. זה מדגיש את האופן בו המגוון והמבנה של המיקרוביוטה התושבת יכולים לחבר מפני פלישה.

כפי שאמרו החוקרים, ה- DCM, עם התקדמותה העתידית, יכול לספק מסגרת לחיזוי כיצד מיקרוביוטה מגיבה להפרעות, במיוחד במהלך הפלישה של מינים פתוגניים ובעקבות השתלת צואה לטיפול בהפרעות אנושיות.

הורד את עותק ה- PDF שלך עכשיו!