Язвите на нашето съвременно общество включват диабет, алергии, астма, затлъстяване, аутизъм и множество нарушения на храносмилателната система като синдром на раздразнените черва, колит, болест на Crohn и цьолиакия. Симптомите и трудностите, присъщи на всяко от тези заболявания, са различни. Съвременните техники за изследване на молекулярната биология обаче разкриват общо. Хората с всяко от тези заболявания имат микробиом, който е поразително различен от този на здравите хора. Микро-био-какво?

Този блог, Предимно микроби, изследва взаимодействието между микробите и нас, техните човешки домакини. По-специално се фокусирам върху значението на човешкия микробиом за и по време на бременност, раждане, ранна детска възраст и ранно детство.

Какво представлява микробиомът?

Микробиомът е всички микробни клетки, живеещи на определено място [1]. При хората човешкият микробиом включва над 100 трилиона бактерии, вируси и гъбички, които живеят във или върху тялото ви [2]. Може би цели десет пъти повече микроби съставляват тялото ви от човешките клетки [2] (въпреки че новите оценки [3] определят броя на човешките клетки на 3,72 трилиона вместо 10 трилиона). Ти си техният дом. Може би веднага сте си помислили „ew- сега искам да си измия ръцете!“, Но изчакайте минута. По-голямата част от тези микроби са полезни. Възпитани сме да мислим за вирусите и бактериите като за микроби, които причиняват болести, но без полезните ви микроби не бихте могли да смилате правилно храната си [4] и биха ви липсвали определени витамини [5-7]. Всъщност загубата на тези полезни микроби изглежда корелира с няколко заболявания [8-12]. Тези неотдавнашни научни постижения променят начина, по който фундаменталната наука и медицината мислят за човешкото здраве [13].

Защо не знаехме за тези микроби преди?

Новите техники за идентифициране на микробите използват ДНК последователността (уникалните кодове за инструкции на живота) на организмите, вместо да разчитат на способността да култивират тези организми в чаша на Петри. Исторически,

Защо НИКОГА не сте сами!

През 2007 г. Националните здравни институти разумно инвестираха 150 милиона от данъчните ви долари в петгодишен проект за човешки микробиоми (HMP). Констатациите от HMP са променили начина, по който гледаме на здравето и дисфункцията на нашите тела. Вече не можем да се смятаме за хора. Вместо това трябва да мислим за себе си като за разхождащи се, говорещи планети! Бактериите са толкова малки, че милиони от тях могат да се поберат в антените на мравка. Съотношението на размера на Е. coli в сравнение с тялото ви е подобно на човешкото тяло в сравнение със Земята. Както Земята има различни местообитания - планини, езера, пустини, блата - така и човешкото тяло. Във всяко от местообитанията на Земята и хората специфичните организми процъфтяват в тези специфични условия.

Местообитанията са просто места с определен вид физически характеристики (температура, pH, UV интензивност и др.) И характерни организми. Тези два аспекта на местообитанията са взаимосвързани, като някои организми могат да оцелеят по-добре в различни физически местообитания. Например, полярните мечки с гъстата си козина, слоеве мазнини и вкус към тюлени и риби са подходящи за по-студените, артистични райони на Земята, но не биха били на място и не биха могли да оцелеят в горещи и сухи пустини без уплътнения. По същия начин някои от микробите във и върху тялото ви се нуждаят от специфични хранителни вещества, рН или нива на кислород, за да оцелеят и са ограничени да живеят в тези местообитания. Тези микроби също имат определена функция в екосистемата, в която живеят. Понякога разграждат хранителни вещества или токсини, понякога произвеждат витамини, друг път просто заемат място и пречат на патоген да живее там.

Изкуство от Кара Гибсън

"data-medium-file =" https://i0.wp.com/www.mostlymicrobes.com/wp-content/uploads/2014/08/MapLadies6nocaption1.png?fit=598%2C245 "data-large-file = "https://i0.wp.com/www.mostlymicrobes.com/wp-content/uploads/2014/08/MapLadies6nocaption1.png?fit=598%2C245" alt = "Хората като микробни екосистеми" width = "598" височина = "245" data-recc-dims = "1" data-lazy- srcset = "data: image/gif; base64, R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP /// yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7"> Фигура 2. Вие сте екосистема, съставена от много различни местообитания.

Какви местообитания има в и върху мен?

Местообитанията могат да бъдат характеризирани първо чрез техните физически (абиотични) аспекти. Тези абиотични аспекти включват: температурен диапазон, вид и количество хранителни вещества, количество кислород, диапазон на рН и количество влага. HMP започна да изгражда карти на местонахождението на различни бактерии в и върху нашите тела. Взети са проби от над 18 телесни местообитания от 113 здрави жени и 15 телесни обекта от 129 здрави мъже за общо 4788 проби. Тези места на тялото включват пет основни зони на тялото, включително девет от устата, 4 места на кожата, проба от изпражнения, която представлява храносмилателната система, и генитални места. Някои субекти бяха взети проби по различно време, за да се разгледа стабилността на микробиома във времето [2]. ДНК се екстрахира, бактериалната 16S рРНК се амплифицира и секвенира от тези ДНК екстракции, след което се сравняват бактериалните 16S рРНК последователности. Изследването се стреми да установи дали 1) различните телесни места имат специфични бактериални съобщества, 2) как бактериалното разнообразие се сравнява между телесните сайтове на един и същ човек и 3) дали тези бактериални съобщества на всяко телесно място са сходни при отделните хора.

хранителни вещества
Фигура 3. График на принципните координати, показващ вариация в микробната общност между проби и места на тялото. От HMP 2012. Nature 486: 207-214.

Имат ли различни сайтове на тялото специфични бактериални съобщества?

Всъщност има специфични бактериални съобщества на различни места на тялото. Това може би е най-лесно да се види на графиката от HMP2012 Nature paper (Фигура 3), където са нанесени разликите между пробите, взети от няколко индивида на различни места на тялото. Всяка точка представлява различните видове и брой на вид бактерии, присъстващи в конкретната проба. Тези проби, които са най-сходни помежду си, се групират заедно. Този анализ предполага, че най-различните места са орални, стомашно-чревни (GI) и урогенитални, докато кожните и носните сайтове са по-сходни помежду си.

Изследователите също сравняват изобилието от бактериални видове в различни места на тялото. Те откриха промени в изобилието на специфични бактерии за всяко място на тялото (Фигура 4а и б). Всъщност изследователите са открили, че телата ни съдържат няколко местообитания с различни физически условия и биологични организми. Някои бактерии оцеляват най-добре в местообитания като устата ви, където има много влага, променлива температура и количествата хранителни вещества варират в зависимост от това дали и какво ядете. За разлика от тях, бактериите, които живеят върху кожата на ръцете ви, са адаптирани да живеят в горещ, сух, ниско хранителен и ултравиолетов район.

Фигура 4а. Ключът за цвят и изобилие за фигура 2б. Фигура 4б. 16S рРНК идентифицира бактериални родове, открити в местата на телесни проби. Когато присъстват родове, цветът показва в кой тип или клас членуват. Размерът на кръга представлява какъв процент от общия микробиом на това място е съставен от този бактериален род. От HMP 2012. Природа 486: 207-214.

HMP направи изискана интерактивна програма, наречена SitePainter, където можете да посочите кои бактериални таксони ви интересуват и картографира къде се намира бактерията в тялото. Пример, който направих, използвайки анализ на нивото на RDP за хлорофлекси и протеобактерии, се вижда на фигури 5 и 6. Забележете как хлорофлексите се намират само на едно място в устата, докато протеобактериите се намират на много различни места. Нивото на титлата е второто най-високо ниво на таксономични категории. В рамките на даден тип има много класове и дори повече видове. Тъй като първото изображение е на ниво тип, виждаме най-широкото ниво на организация, което обхваща много подгрупи (класове) на организми с по-рестриктивни модели на колонизация.

Фигура 5. Примерен екран на снимка на мястото, където HMP е намерил хлорофлекси в човешкото тяло. За да изследвате различните местообитания, в които присъстват бактерии, посетете: http://www.hmpdacc.org/sp/

Фигура 4 показва екранна снимка на SitePainter на ниво клас на Betaproteobacteria. В класа на Betaprotobacteria има различни семейства (неизвестен, Фигура 7 и Oxalobacteraceae, Фигура 8, в този пример). Това е на семейно ниво, където различните модели на колонизация стават очевидни и където наистина започва да се разкрива разнообразието от бактерии. И така, какво е разнообразието и защо има значение?

Фигура 6. Екранна снимка на SitePainter на класификация на Phylum (ниво 3) на протеобактерии върху човешкото тяло. Фигура 7. Снимка на екрана на SitePainter на класификация на клас (ниво 6) в рамките на типа Proteobacteria. Показаните сайтове за бактериална колонизация са неизвестни бактерии в Order Burkholderia. Фигура 8. Екранна снимка на SitePainter на класификацията на клас Betaproteobacteria (ниво 6) в рамките на филопротеобактериите. Показаните места за бактериална колонизация са тези от разред Burkholderia и Family Oxalobacteraceae.

Какво е разнообразието?

Разнообразието е просто колко различни видове организми присъстват. Например, градска улица може да има три различни вида птици (гълъби, скорци и врабчета), докато селска улица може да има десет различни вида птици (скорци, врабчета, сини сойки, американски сини птици, кардинали, теглещи, гарвани, орехови ядки, рокли и пилета). В този случай градската улица би била по-малко разнообразна от селската.

В това първоначално проучване на здравия човешки микробиом, във всеки човек, взет проба, най-разнообразните места на тялото са GI и оралните места, докато вагиналните места са най-малко разнообразни. Интересното е, че въпреки че и двете места в устата и на стомашно-чревния тракт имат голямо разнообразие, в устата един и същ вид се наблюдава при различни хора. Това би било като намирането на същите три вида птици (гълъби, скорци и врабчета) на градска улица на Алабама и градска улица в Калифорния. За разлика от тях, видовете бактериални видове са различни, когато се сравнява системата на ГИ на различните хора. Независимо от нивото на разнообразие, уникалният микробиом на човек е бил стабилен във времето.

Защо разнообразието има значение?

Екосистемите зависят от разнообразието от организми, за да поддържат здравословна и устойчива околна среда. Всяка група организми - растения, животни, гъбички, бактерии - всички вършат работа от съществено значение за правилното функциониране на екосистемата и създават мрежа от взаимодействия, а понякога и взаимозависимост. Без растения и микроби, които да осигуряват кислород, животните нямаше да оцелеят много дълго. По същия начин въглеродният диоксид от животински отпадъци е от съществено значение за фотосинтезата на растенията. Разбира се, в рамките на тези по-големи групи от растения и животни има подмножества от организми, които имат специфични работни места от съществено значение за функцията на екосистемата. Някои насекоми и птици служат като опрашители на растения. Други насекоми, птици и бозайници се хранят с различни растения. След това тези насекоми, птици и бозайници служат като храна за други животни. След това са детритиворите - рециклиращите в екосистемата. Те се хранят с животински и растителни отпадъци и трупове, за да върнат тези хранителни вещества в околната среда. Микробите също имат специфична работа, от която другите видове зависят за правилното функциониране на екосистемата.

В някои случаи може да се загуби малко разнообразие, без да се нарушават много екосистемните процеси. Например загубата на един вид пчели, които опрашват няколко различни вида растения, може да не е голям проблем, ако друг вид насекомо може да свърши същата работа също толкова ефективно и ефективно. Ако обаче само един вид пчела може да опраши определено растение и опрашването от насекоми е от съществено значение за оцеляването на растението, загубата на един вид пчела има по-големи последици. Подобно е с човешкия микробиом. В храносмилателната система, особено в червата, разнообразието изглежда изключително важно. Колкото повече микробно разнообразие, толкова по-голямо разнообразие от работни места може да се направи. В този случай работните места усвояват асортимент от храни. Конкретните микроби имат различен набор от гени, които им позволяват да разграждат определени хранителни вещества или да синтезират витамини и други хранителни вещества, липсващи в диетата на гостоприемника. По-голямото разнообразие от микроби води до обработка на по-широк спектър от храни.

От главата до петите, отвътре и отвън, вие сте предимно микроби. Тъй като екосистемите на планетата Земя имат редица местообитания със специфични организми, които са от съществено значение за правилното функциониране на екосистемата, така и човешкото тяло. Без многото микроби, които ви наричат ​​у дома, вашата екосистема може да се повреди. Въпреки че микробите са невидими с просто око, тяхното значение става все по-очевидно. Надявам се, че този блог ще ви свърже с тази невидима и съществена част от вас самите.