Микробиом человека играет важнейшую роль в нашем здоровье, влияя на все - от развития заболеваний до реакции на лечение. Эта связь привлекла внимание ученых всего мира, стремящихся раскрыть ее секреты.
Несмотря на то что традиционная метагеномика позволяет получить ценные сведения, она не позволяет определить микробное разнообразие на уровне штаммов и точно профилировать гены, участвующие в формировании резистентности к антибиотикам. Эти недостатки подчеркивают необходимость применения более совершенных подходов. Чтобы решить эту проблему, группа исследователей под руководством Масахито Хосокавы из Университета Васэда (Япония) разработала подход к изучению генома одиночных клеток. Исследование, опубликованное в журнале Microbiome 2 октября 2024 года, посвящено изучению микробного разнообразия и генетических особенностей с помощью геномного анализа единичных клеток.
Рост числа геномов, собранных с помощью метагеномов (MAGs), расширил наше понимание функциональной характеристики и таксономической принадлежности микробиома человека. Однако MAGs, как популяционные консенсус-геномы, часто обобщают гетерогенность между видами и штаммами, тем самым скрывая точные взаимоотношения между микробными хозяевами и мобильными генетическими элементами (МГЭ). «Ограниченность метагеномики вдохновила нас на разработку нового подхода к изучению микробиома человека на уровне одной клетки. Этот подход может расширить наше понимание того, как бактерии взаимодействуют и обмениваются генетическим материалом, включая гены устойчивости к антибиотикам, что позволит глубже понять здоровье и болезни человека», - говорит Хосокава.
Исследователи провели масштабный индивидуальный анализ микробного разнообразия в организме человека. Для этого они набрали 51 участника и собрали у них образцы слюны и кала. Затем они применили новый метод анализа генома отдельных клеток, названный SAG-гелевой технологией. В этом методе отдельные бактерии помещались в гель, их геномы амплифицировались и анализировались по отдельности. Одиночные амплифицированные геномы (SAGs), полученные с помощью секвенирования генома отдельных клеток, могут отражать индивидуальный геномный контент, включая МГЭ.
С помощью этой новой методики исследователи обнаружили геномы 300 видов бактерий, которые были пропущены обычным методом. Кроме того, новая методика позволила глубже понять гены резистентности к антибиотикам (ARG), сети обмена генами, взаимодействие бактерий и их разнообразие. "В нашем исследовании проанализировано 30 000 индивидуальных геномов бактерий полости рта и кишечника, что является крупнейшей в мире геномной базой данных, демонстрирующей возможности геномики единичных клеток в изучении микробного разнообразия и взаимодействий", - подчеркивает Хосокава. Более того, в SAGs на клеточном уровне были обнаружены доказательства транслокации бактерий из полости рта в кишечник. Авторы также выявили МГЭ широкого спектра действия, содержащие ARG, которые не были обнаружены в MAGs.
Разница в таксономическом составе между SAGs и MAGs указывает на то, что объединение обоих методов будет эффективным для расширения каталога геномов. Соединяя мобиломы и резистомы в отдельных образцах, SAG могут тщательно проследить динамическую сеть ARG в МГЭ, выявить потенциальные резервуары ARG и закономерности их распространения в микробном сообществе. Результаты этого исследования имеют несколько потенциальных применений. В здравоохранении детальное профилирование генов устойчивости к антибиотикам может помочь разработать более целенаправленные и эффективные стратегии лечения. При мониторинге окружающей среды геномика единичных клеток позволяет отслеживать генетические сдвиги в экосистемах, чтобы управлять и предотвращать распространение резистентности к антибиотикам. В сельскохозяйственном секторе понимание динамики генов резистентности к антибиотикам может стать руководством к действию для минимизации распространения резистентности через почву, воду и домашний скот.
Исследование подчеркивает трансформационный потенциал геномики отдельных клеток в исследованиях микробиома, позволяя получить более детальное и тонкое представление о микробных сообществах. «Наш подход позволяет лучше понять, как распространяется устойчивость к антибиотикам среди бактерий и имеет потенциал для будущего применения в медицине и здравоохранении», - считает Хосокава.
