Važno pitanje u savremenoj nauci o životu i medicinskim istraživanjima jeste kako mikroorganizmi koji žive u i na telu utiču na životne procese, a time i na zdravlje i bolest organizma domaćina. Naučnici pretpostavljaju da postoje veze između celokupne mikrobne kolonizacije tela, takozvanog mikrobioma, i razvoja bolesti.
Hronična inflamatorna bolest creva (IBD) posebno je očigledno blisko povezana sa sastavom i poremećajem mikrobioma. Istovremeno, teško je definisati zdravo normalno stanje ljudske mikrobne kolonizacije, jer na to utiču mnogi faktori, a individualni sastav varira od osobe do osobe.
Naučnici iz Collaborative Research Center (CRC) 1182 „Poreklo i funkcija metaorganizama“ u Kilu sada su uporedili podatke o mikrobiomima različitih velikih majmuna sa onima ljudi koji žive u ruralnim i urbanim sredinama u najvećoj studiji te vrste do sada, kako bi identifikuju određene obrasce sličnosti i razlika u mikrobnoj kolonizaciji različitih domaćina.
Istraživači se nadaju da će steći nove uvide u uticaj evolucionog razvoja, životne sredine i načina života na sastav mikrobioma i identifikovati moguće efekte. U svom novom radu uspeli su da potvrde pre svega da je mikrobna kolonizacija živog organizma veoma specifična za domaćina, da se evolucija mikroorganizama i njihovih domaćina odvija zajedno i paralelno, kao i da je raznovrsnost vrsta ljudskog mikrobioma smanjen je u poređenju sa majmunima.
Zajedno sa istraživačima iz različitih partnerskih institucija, uključujući Helmholcov institut za jedno zdravlje u Grajfsvaldu, pododeljenje Helmholcovog centra za istraživanje infekcija, tim je nedavno objavio svoje nalaze u časopisu Nature Communications.
Istraživački tim CRC 1182 sproveo je svoju takozvanu studiju metagenoma koristeći oko 200 uzoraka stolice divljih afričkih velikih majmuna, uključujući šimpanze i gorile, i ljudskih subjekata iz Demokratske Republike Kongo i Obale Slonovače, kao i iz Danske i Nemačke. . Afrički ispitanici žive u ruralnim sredinama u blizini nacionalnih parkova u kojima su uzorkovane životinje, dok evropski učesnici dolaze iz urbanih sredina.
Genomi mikroorganizama dobijeni na ovaj način predstavljaju najveći skup podataka te vrste do sada. Na ovaj način, naučnici su bili u mogućnosti da odrede raznolikost i sastav mikrobnih vrsta sadržanih u odgovarajućim mikrobiomima i uporede ih u smislu njihovog razvoja i uticaja uticaja životne sredine.
„Posebno nas je zanimala evoluciona perspektiva, odnosno kako su se mikrobiomi razvili od zajedničkog pretka do današnjih vrsta majmuna i ljudske populacije tokom dugih vremenskih perioda“, kaže dr Malte Ruleman, prvi autor studije i naučni saradnik u prof. Radna grupa Andre Franke na Institutu za kliničku molekularnu biologiju (IKMB).
„Pretpostavljamo da nam ovaj pristup takođe može pružiti uvid u razvoj bolesti na koje verovatno utiče mikrobiom, na primer, hronične inflamatorne bolesti creva.
Početni rezultat ove uporedne studije bio je da je još jednom bila u stanju da potvrdi visoku specifičnost mikrobioma za domaćina – drugim rečima, da mikrobna kolonizacija creva u svakom organizmu domaćina ima veoma karakterističan sastav. „Uspeli smo da jasno razlikujemo mikrobiom šimpanze, gorile ili čoveka, na primer, na osnovu različitih vrsta bakterija i njihovih proporcija“, kaže koautor dr Jan Gogarten sa Helmholc instituta za jedno zdravlje.
Ovi karakteristični mikrobiomi se mogu jasno razlikovati jedan od drugog po odsustvu ili prisustvu određenih ključnih vrsta i njihov sastav prati evolucionu putanju njihovih domaćina u smislu njihove sličnosti. Istraživači takvu zajedničku evoluciju domaćina i simbionta nazivaju filosimbiozom.
„Naši podaci pokazuju jasne znake ovoga. Kod svih velikih majmuna koje smo proučavali, pronašli smo signale koji ukazuju na očuvane evolucione odnose između mikrobnih zajednica i njihovih vrsta domaćina. Ovo podupire važnost filosimbioze kao rezultat bliske interakcije između domaćina i mikrobioma preko evoluciono vreme“, kaže dr Gogarten.
Poređenje sastava mikrobioma i promena kod različitih domaćina takođe postavlja pitanje kako njihove razlike imaju funkcionalni uticaj i kakvu ulogu u tome igraju pojedine pojedinačne mikrobne vrste ili grupe. Konkretno, studija je uspela da pokaže da se neki evolutivno očuvani mikroorganizmi sukcesivno gube kod ljudi sa urbanim stilom života.
Kao upečatljiv primer, istraživački tim iz Kila analizirao je grupu bakterija Prevotella. „Oni se vrlo retko nalaze u evropskim mikrobiomima, ali se češće javljaju u uzorcima iz Demokratske Republike Kongo i Obale Slonovače i u masovnom obimu kod životinja domaćina. Stoga sumnjamo da je ova grupa bakterija sastavni deo mikrobioma hominida milionima godina iz evolucione perspektive, ali je značajno smanjen u ljudskom crevu u vezi sa urbanim načinom života“, objašnjava dr Korina Bang, koautor i šef laboratorije za mikrobiom u IKMB.
Da bi saznali šta ove promene mogu značiti na funkcionalnom nivou, istraživači su analizirali kako se bakterije Prevotella koje se nalaze u ljudskom mikrobiomu genetski razlikuju od njihovih konspecifikata u crevima šimpanzi. Otkrili su da je u okviru ovog bakterijskog roda specifičan gen prisutan u 90% bakterija povezanih sa ljudima, ali ni u jednoj od vrsta koje se nalaze kod majmuna.
„Do sada ovaj gen nije detaljno proučavan u Prevoteli. Međutim, eksperimenti sa modelom bakterije Escherichia coli pokazuju da omogućava mikroorganizmima da reaguju veoma osetljivo na kiseonik i možda pomaže bakterijama da prežive u uslovima koji nisu potpuno kiseonik. -slobodne, poput onih koje se privremeno javljaju u ljudskom crevu“, kaže Bang.
Jedno objašnjenje za ovo je da bi to mogla biti funkcionalna adaptacija bakterija na život posebno u ljudskom crevu. Međutim, dugotrajno prisustvo kiseonika u crevima često je povezano sa inflamatornim procesima, posebno kod IBD-a, gde postoji masivno povećanje nivoa kiseonika u crevima.
Iako uzrok i posledica još nisu dovoljno razjašnjeni, ova genetska adaptacija i na kraju nestanak bakterije Prevotella mogu biti povezani sa rizicima bolesti, koje istraživači žele detaljnije da istraže u budućnosti.
„Sve u svemu, naša studija pruža važne nove uvide u odnose između efekata urbanog načina života, gubitka evolucijski očuvanih grupa bakterija i rezultirajućih mogućih funkcionalnih adaptacija ljudskog mikrobioma“, kaže profesor Andre Franke, poslednji autor studije i član odbora PMI klastera izvrsnosti.
„Iako još uvek nismo u mogućnosti da definitivno pripišemo bolesti kao što je IBD ovim faktorima, sada imamo ubedljive dodatne dokaze koji poremećaje i promene u ljudskom mikrobiomu čine verovatnim mehanizmima razvoja bolesti. Želimo dalje da istražimo ove odnose kako bismo omogućili profilaktičko ili terapeutsko intervencije u bolestima povezanim sa mikrobiomom u budućnosti“, kaže Franke, koji će nastaviti da vodi nekoliko projekata u CRC 1182 u naredne četiri godine.
