Непревзойденная инвентаризация экосистемы кишечника человека
Международная группа ученых собрала все известные геномы бактерий из микробиома кишечника человека в единую большую базу данных. Их работа, опубликованная в журнале Nature Biotechnology, позволит исследователям исследовать связи между генами бактерий и белками, а также их влияние на здоровье человека.
Этот проект осуществлялся под руководством Европейского института биоинформатики EMBL (EMBL-EBI) и включал в себя сотрудников Института Веллкома Сэнгера, Университета Тренто, Института Глэдстоуна и Объединенного института генома Министерства энергетики США.
Больше микробов, чем человеческих клеток
Бактерии покрывают человеческое тело, внутри и снаружи. Они вырабатывают белки, которые влияют на наше пищеварение, наше здоровье и нашу восприимчивость к болезням. Они настолько распространены, что организм, по оценкам, содержит в своем микробиоме больше клеток - бактерий, грибов и других микробов, чем человеческие клетки.
Чтобы понять роль, которую виды бактерий играют в биологии человека, ученые обычно изолируют и культивируют их в лаборатории перед тем, как исследовать их ДНК. Однако многие бактерии процветают в условиях, которые еще не воспроизводимы в лабораторных условиях.
Чтобы получить информацию о таких видах, ученые применяют другой подход: они собирают один образец из окружающей среды - в данном случае из кишечника человека - и исследуют ДНК из всего образца. Затем они используют вычислительные методы для реконструкции отдельных геномов тысяч видов из этой одиночной пробы. Этот метод, называемый метагеномикой, предлагает мощную альтернативу выделению и секвенированию ДНК отдельных видов.
Биоразнообразие в человеческом кишечнике
"В прошлом году три независимые группы, включая нашу, реконструировали тысячи геномов микробиомов кишечника. Большие вопросы заключались в том, были ли у этих команд сопоставимые результаты, и можем ли мы объединить их в комплексную инвентаризацию", - говорит Роб Финн, руководитель команды EMBL-EBI.
В настоящее время ученые собрали 200 000 геномов и 170 миллионов белковых последовательностей из более чем 4 600 видов бактерий в кишечнике человека. Их новые базы данных - Объединенный желудочно-кишечный геном человека и Объединенный каталог белков желудочно-кишечного тракта - раскрывают невероятное разнообразие микробиома кишечника и прокладывают путь для дальнейших исследований микробиомов.
"Этот огромный каталог является вехой в исследованиях микробиомов и станет бесценным ресурсом для ученых, которые начнут изучать и, будем надеяться, понимать роль каждого вида бактерий в экосистеме кишечника человека", - объясняет Никола Сегата, главный исследователь Университета Тренто.
В ходе проекта выяснилось, что более 70% обнаруженных видов бактерий никогда не культивировались в лаборатории - их активность в организме остается неизвестной. Самой большой группой бактерий, попадающей в эту категорию, являются Comantemales, группа кишечных бактерий, впервые описанных в 2019 году в исследовании, проведенном Bork Group в EMBL Heidelberg.
"Это был настоящий сюрприз видеть, насколько распространены Comantemales. Это подчеркивает, как мало мы знаем о бактериях в нашем кишечнике", объясняет Александр Алмейда, EMBL-EBI / Сангер Постдоктор из группы финских специалистов. "Мы надеемся, что наш каталог поможет биоинформаторам и микробиологам преодолеть этот пробел в знаниях в ближайшие годы".
Свободно доступный информационный ресурс
Все данные, собранные в Единой коллекции желудочно-кишечного генома человека и Едином каталоге белков желудочно-кишечного тракта человека, находятся в свободном доступе в MGnify, онлайн-ресурсе EMBL-EBI, который позволяет ученым анализировать их микробные геномные данные и проводить сравнения с существующими наборами данных.
Проект уже имеет ряд пользователей в научном сообществе. По мере появления новых наборов данных от исследовательских групп по всему миру каталог может расширяться и включать в себя микробиомы других частей тела, таких как кожа или ротовая полость.
"Этот каталог предоставляет очень богатый источник информации для микробиологов и клиницистов". Тем не менее, мы, вероятно, откроем гораздо больше новых видов бактерий в недопредставленных географических регионах, таких как Южная Америка, Азия и Африка. Мы до сих пор мало что знаем о разнообразии бактерий в различных человеческих популяциях", - объясняет Алмейда.
