L'intestí humà: les soques són la clau d'una bona salut

Cada dia, els milers de milions de bacteris que habiten el teu sistema digestiu canvien; els aliments que menges, els medicaments que prens i els gèrmens als quals estàs exposat fan que alguns bacteris floreixin més que altres. Els científics saben que aquest equilibri en constant canvi de microbis intestinals està relacionat amb la vostra salut i malaltia, però han lluitat per determinar què fa que un equilibri microbià sigui millor que un altre.      

Durant l'última dècada, els científics generalment han descrit el microbioma d'una persona, la col·lecció de microbis que es troben a l'intestí humà, caracteritzant quines espècies de bacteris hi ha presents i en quines quantitats. Ara, un grup d'investigadors liderats per Katie Pollard, PhD, als Instituts Gladstone ha publicat dos nous estudis que suggereixen que el seguiment de les soques de bacteris, i no només de les espècies, pot proporcionar una millor visió del microbioma.

Les soques bacterianes s'assemblen una mica a les races de gossos o a les varietats de tomàquet, parts de la mateixa espècie, però diferents les unes de les altres.

En un estudi publicat a la revista Nature Biotechnology, el laboratori de Pollard va treballar amb Stephen Nayfach, PhD, científic investigador del Departament d'Energia Joint Genome Institute dels EUA, per desenvolupar un nou mètode computacional per analitzar molt les soques de bacteris presents en una mostra de microbioma. més ràpid i assequible que les tecnologies existents. El nou enfocament, diu Pollard, permetrà als investigadors dur a terme anàlisis més grans i precises del microbioma que mai.

En un article separat publicat en línia a Genome Research, Pollard va col·laborar amb els laboratoris de Benjamin Good, PhD, i Michael Snyder, PhD, a la Universitat de Stanford per fer un seguiment de les soques de bacteris presents al microbioma d'una persona en 19 moments diferents durant un període de 5 anys. període d'un mes, inclòs abans i després d'un curs d'antibiòtics. Van trobar que, en alguns casos, l'abundància d'una espècie de bacteris es va mantenir constant entre els punts temporals, però les soques d'aquesta espècie van canviar dràsticament.

Fer que els microbiomes tinguin sentit

Dins del vostre intestí, probablement els bacteris fan més que només digerir els vostres aliments. De fet, els estudis han demostrat que les persones amb malalties tan diverses com la malaltia inflamatòria intestinal, l'asma, l'autisme, la diabetis i el càncer tenen bacteris diferents en el seu sistema digestiu en comparació amb les persones sanes. Però d'aquestes observacions han sorgit fins ara pocs tractaments dirigits al microbioma.

Com que cada bacteri té el seu propi codi genètic, els científics confien en la seqüenciació de l'ADN per descobrir quins bacteris habita el microbioma de qualsevol persona. Però analitzar les seqüències d'ADN és difícil a causa de la mida i la complexitat de les dades. Tot i que els investigadors poden utilitzar els mètodes existents per determinar quines espècies hi ha presents, aquests només proporcionen una part de la imatge de la diversitat i la funció del microbioma. Això es deu al fet que les diferents soques d'una sola espècie de bacteris poden albergar diferències genètiques significatives, que sovint són prou grans com per induir diferents comportaments.

Fins ara, identificar diferències genètiques en una mostra de microbioma ha requerit una potència de càlcul d'alt rendiment i emmagatzematge al núvol, cosa que no està disponible per a la majoria de laboratoris. Els investigadors van haver de comparar milions de fragments d'ADN dels genomes de milers de bacteris presents al microbioma amb una base de dades amb les seqüències de cada microorganisme conegut, utilitzant una tècnica coneguda com alineació de seqüències.

Pollard i els seus col·legues sabien que llargs trams de seqüències del genoma són comuns entre moltes espècies o soques bacterianes. Per tant, aquestes seqüències no es poden utilitzar per ajudar a identificar una soca bacteriana específica. Inspirat en enfocaments que analitzen només les regions més variables del genoma humà, l'equip es va proposar trobar la quantitat mínima d'informació de seqüències que haurien d'extreure a partir de les dades del microbioma per identificar quines soques contenia.

Els investigadors van analitzar més de 100,000 genomes d'alta qualitat i disponibles públicament d'aproximadament 900 espècies bacterianes que es troben habitualment a l'intestí humà. Van descobrir 104 milions de cadenes curtes d'ADN en els genomes bacterians que varien amb més freqüència entre les soques de bacteris. Aleshores, van utilitzar aquesta informació per dissenyar un nou algorisme, anomenat GenoTyper for Prokaryotes (GT-Pro), que cerca les dades de la seqüència del microbioma per a coincidències exactes amb les cadenes clau que actuen com a identificadors de soques bacterianes. A diferència dels mètodes d'alineació de seqüències anteriors, GT-Pro s'adapta a la memòria d'un ordinador portàtil i no requereix computació d'alt rendiment ni crèdits al núvol.

El camp d'investigació anteriorment s'ha vist limitat pel fet que només uns quants laboratoris d'arreu del món tenen els diners o el maquinari informàtic per analitzar les dades del microbioma a la resolució de les soques.

Abans i després dels antibiòtics

Una de les preguntes que els investigadors del microbioma s'han esforçat per respondre en els darrers anys és quant canvia el microbioma al cos d'una persona al llarg del temps. Aquesta qüestió s'ha abordat a nivell d'espècie; els científics han fet un seguiment de com canvia la composició d'espècies dels microbiomes de les persones juntament amb la dieta, les malalties o els canvis ambientals. Però els resultats no han pogut explicar com el microbioma adquireix noves funcions, com ara la resistència als antibiòtics o la capacitat d'inactivar els fàrmacs de quimioteràpia, quan la composició de les espècies es manté estable de mes a mes.

Pollard i els seus col·legues volien aprofundir en aquesta qüestió a un nivell més profund, analitzant com canvien les soques de bacteris, en lloc de només les espècies, amb el temps. Van reutilitzar un mètode dissenyat per seqüenciar cèl·lules humanes individuals i el van utilitzar per codificar les molècules d'ADN bacterià. Això va permetre al grup fer un seguiment de soques individuals de bacteris en una persona al llarg d'un estudi de 5 mesos.

L'equip va seqüenciar el microbioma d'un individu sa aproximadament un cop per setmana durant 5 mesos. Durant aquest període de temps, el subjecte va ser sorprenentment diagnosticat amb la malaltia de Lyme i va rebre un curs d'antibiòtics de dues setmanes, coneguts per eliminar moltes espècies de bacteris, inclosos els que viuen a l'intestí humà.

En alguns casos, això era cert: determinades espècies i soques de microbis eren notablement resistents, presents amb genomes gairebé sense canvis a l'inici i al final del període de 5 mesos. Però en altres casos, les soques presents després dels antibiòtics eren genèticament diferents de les de l'inici tot i que l'abundància de l'espècie no va canviar. És important destacar que aquestes diferències s'haurien perdut si l'equip només hagués analitzat les espècies presents a cada mostra de microbioma.

Tot i que l'algoritme GT-Pro encara no estava disponible per utilitzar-lo en aquest estudi, Pollard diu que faria estudis futurs similars molt més fàcils i econòmics de dur a terme.

Traçant un nou camí per als estudis del microbioma

Els bacteris del teu cos són com una selva: un ecosistema viu i canviant amb organismes que coexisteixen en un delicat equilibri. Quan miren imatges de satèl·lit des de dalt, els ecologistes poden controlar els canvis més profunds i dràstics en una jungla, però es perdran les complexitats més fines que configuren el medi ambient.

De la mateixa manera, els que estudien el microbioma observant com canvien les espècies han obtingut una visió d'alt nivell de la xarxa i només han vist les connexions més evidents amb la salut i la malaltia. Però amb GT-Pro i una nova visió de les soques de microbis, diu Pollard, es faran evidents nous vincles.