Svi višećelijski organizmi — od najjednostavnijih životinjskih i biljnih organizama do ljudi — žive u bliskoj vezi sa mnoštvom mikroorganizama, takozvanim mikrobiomom, koji kolonizuju njihova tkiva i žive u simbiotičkim odnosima sa domaćinom.
Mnoge vitalne funkcije, kao što su uzimanje hranljivih materija, regulacija imunog sistema ili neurološki procesi, rezultat su interakcije između organizma domaćina i mikrobnih simbionta. Funkcionalna saradnja između domaćina i mikroorganizama, koju naučnici nazivaju metaorganizmom, detaljno se istražuje na Univerzitetu Kiel u Centru za kolaborativno istraživanje (CRC) 1182 Poreklo i funkcija metaorganizama.
Naučnici sumnjaju da mikrobiom može značajno doprineti prilagođavanju životne sredine i kondiciji organizma u celini. Oni vide jedan razlog za to u brzoj prilagodljivosti mikroorganizama, koji mogu reagovati mnogo puta brže na promenljive uslove životne sredine od organizama domaćina koji se obično sporije razvijaju.
Kako se kolonizacija i sastav mikrobioma uspostavlja tokom individualnog razvoja organizma domaćina, predmet je aktuelnih istraživanja.
Tim istraživačke grupe za evolucionu ekologiju i genetiku koju vodi profesor Hinrich Schulenburg sa Zoološkog instituta na Univerzitetu Kiel, zajedno sa drugim istraživačkim grupama iz CRC 1182 sa različitih fakulteta i Maks Plank instituta za evolucionu biologiju u Plonu, sada je istražio dinamika kolonizacije mikrobioma.
Otkrili su da mikrobiom u organizmu domaćina nematode nema nasumičan sastav tokom dugog perioda svog života, što sugeriše da je mikrobna zajednica rezultat procesa usmerene selekcije. Studija je objavljena u mBio.
Ova pretpostavka je podržana analizom genoma mikrobnih vrsta u mikrobiomu crva. Pronađeni su brojni geni koji su odgovorni za određene metaboličke funkcije koje su važne za organizam domaćina, a relevantne su i za druge organizme.
Sa ovim rezultatima, istraživači iz Kila još jednom pokazuju da je okrugli crv Caenorhabditis elegans posebno pogodan kao informativni model organizma za istraživanje mikrobioma creva.
U cilju proučavanja razvoja sastava mikrobioma kod C. elegans tokom vremena, dr Agnes Piecik, bivša istraživačica grupe za evolucionu ekologiju i genetiku, koja je planirala i vodila eksperimente, koristila je karakterističnu zajednicu od 43 različite vrste bakterija koje su obično se nalazi u nematodi u prirodi.
Ona je ovu mikrobnu zajednicu uvela u životinje koje su ranije bile bez klica i kolonizovala ih na medijumu kulture u neposrednoj blizini crva iu odvojenim Petrijevim posudama bez ikakvog kontakta sa životinjama. Istraživači su zatim analizirali kako se sastav ove eksperimentalne mikrobne zajednice menjao pod različitim uslovima tokom oko nedelju dana u šest pojedinačnih vremenskih tačaka – što odgovara prosečnom životnom veku crva.
Tokom eksperimenta, postalo je očigledno da je vreme samo igralo istaknutu ulogu u mikrobnim zajednicama koje su povezane sa domaćinom, odnosno bakterijama koje žive u crvima. „Njihov sastav se promenio na takav način da su se neke specifične bakterijske vrste češće pojavljivale“, kaže dr Johanes Cimerman, takođe istraživač u radnoj grupi za evolucionu ekologiju i genetiku, koji je analizirao podatke.
Na primer, bakterije Ochrobactrum i Enterobacter se akumuliraju u crevima crva. „Ova dinamika se ne može ubedljivo objasniti stohastičkim, odnosno, u principu nasumičnim, procesima. Stoga smo želeli da saznamo da li možda postoje usmereni procesi uključeni u dinamičku promenu mikrobioma crva tokom vremena“, objašnjava Cimerman.
U sledećem koraku, istraživački tim je analizirao genome mikroorganizama u mikrobiomu crva koji sadrže sve genetske informacije bakterijskih zajednica tokom životnog veka crva. Zanimljivo je da su istraživači otkrili neke upadljive sličnosti između mikrobnih zajednica povezanih sa domaćinima sa genima poznatim iz istraživanja ljudskog mikrobioma.
„Pretpostavljamo da to nije slučajnost, već da je vođeno specifičnim interakcijama između domaćina i mikrobioma koje utiču na sastav mikrobioma u određenim tačkama životnog veka domaćina.
„Veoma uverljivo objašnjenje za akumulaciju određenih vrsta bakterija u crvima u poređenju sa kontrolnim grupama bi stoga moglo biti da domaćin posebno bira određene bakterije i funkcije povezane sa njima, koje su zauzvrat korisne za organizam domaćina“, naglašava Zimerman. .
Ova hipoteza je dodatno podržana činjenicom da su povoljne mikrobne funkcije univerzalne i prevazilaze C. elegans, na primer, proizvodnju kratkolančanih masnih kiselina, vitamina B12 ili drugih vitalnih supstanci.
Sve u svemu, istraživači zaključuju da su zbog dinamike sastava mikrobioma tokom životnog veka crva, povezane bakterijske vrste razvile određene konkurentske strategije i da su posebno favorizovane one vrste koje pružaju određene korisne funkcije domaćinu. U zaključku, čini se da su kolonizujući mikroorganizmi korisni za organizam domaćina u celini i na taj način mu pomažu da se prilagodi svom okruženju.
„Sa našim novim radom pružamo važne konceptualne osnove koje proširuju naše razumevanje sastava i funkcije mikrobioma i kako organizam domaćina utiče na njegov sastav“, kaže Šulenburg.
„Naša studija zasnovana na eksperimentalnoj mikrobnoj zajednici takođe još jednom pokazuje da nam C. elegans pruža vredan sistem modela koji je takođe relevantan za razumevanje fundamentalnih procesa u mikrobiomu ljudskog creva i njihovih posledica po zdravlje i bolest“, zaključuje Šulenburg.
