انقر هنا إذا كان هذا هو بيانك الصحفي!

الأمعاء البشرية: السلالات تحمل مفتاح الصحة الجيدة

كتب بواسطة رئيس التحرير

تؤكد دراستان جديدتان على أهمية النظر إلى السلالات البكتيرية عند تحليل ميكروبيوم الأمعاء البشرية.

طباعة ودية، بدف والبريد الإلكتروني

كل يوم ، تتغير مليارات البكتيريا التي تسكن جهازك الهضمي. الطعام الذي تتناوله والأدوية التي تتناولها والجراثيم التي تتعرض لها تجعل بعض البكتيريا تزدهر أكثر من غيرها. يعلم العلماء أن هذا التوازن المتغير باستمرار لميكروبات الأمعاء مرتبط بصحتك ومرضك ، لكنهم كافحوا لتحديد ما يجعل توازنًا ميكروبيًا أفضل من الآخر.      

على مدى العقد الماضي ، وصف العلماء عمومًا ميكروبيوم الشخص - مجموعة الميكروبات الموجودة في أمعاء الإنسان - من خلال توصيف أنواع البكتيريا الموجودة ، وبأي كميات. الآن ، قامت مجموعة من الباحثين بقيادة كاتي بولارد ، حاصلة على درجة الدكتوراه ، في معاهد جلادستون بنشر دراستين جديدتين تقترحان أن مراقبة سلالات البكتيريا - وليس الأنواع فقط - قد توفر رؤى أفضل للميكروبيوم.

السلالات البكتيرية تشبه إلى حد ما سلالات الكلاب أو أصناف الطماطم - أجزاء من نفس النوع ، لكنها تختلف عن بعضها البعض.

في إحدى الدراسات المنشورة في مجلة Nature Biotechnology ، عمل مختبر بولارد مع ستيفن نايفاخ ، دكتوراه ، عالم أبحاث في معهد الجينوم المشترك التابع لوزارة الطاقة الأمريكية ، لتطوير طريقة حسابية جديدة لتحليل سلالات البكتيريا الموجودة في عينة ميكروبيوم كثيرًا. أسرع وبأسعار معقولة من التقنيات الحالية. يقول بولارد إن النهج الجديد سيمكن الباحثين من إجراء تحليلات أكبر وأكثر دقة للميكروبيوم أكثر من أي وقت مضى.

في ورقة منفصلة نُشرت على الإنترنت في جينوم ريسيرش ، تعاون بولارد مع مختبرات بنجامين جود ، دكتوراه ، ومايكل سنايدر ، دكتوراه ، في جامعة ستانفورد لتتبع سلالات البكتيريا الموجودة في ميكروبيوم شخص واحد في 19 نقطة زمنية مختلفة على مدى 5. فترة شهر ، بما في ذلك قبل وبعد تناول المضادات الحيوية. ووجدوا أنه في بعض الحالات ، ظلت وفرة نوع من البكتيريا ثابتة بين النقاط الزمنية ، لكن السلالات داخل تلك الأنواع تغيرت بشكل كبير.

جعل الميكروبيومات ذات مغزى

داخل أمعائك ، ربما تقوم البكتيريا بأكثر من مجرد هضم طعامك. في الواقع ، أظهرت الدراسات أن الأشخاص المصابين بأمراض متنوعة مثل أمراض الأمعاء الالتهابية والربو والتوحد والسكري والسرطان لديهم بكتيريا مختلفة في أجهزتهم الهضمية مقارنة بالأشخاص الأصحاء. لكن ظهرت القليل من العلاجات التي تستهدف الميكروبيوم من هذه الملاحظات حتى الآن.

نظرًا لأن كل بكتيريا لها رمزها الجيني الخاص بها ، يعتمد العلماء على تسلسل الحمض النووي للكشف عن البكتيريا التي تعيش في ميكروبيوم أي شخص. لكن تحليل تسلسل الحمض النووي أمر صعب بسبب حجم البيانات وتعقيدها. على الرغم من أنه يمكن للباحثين استخدام الأساليب الحالية لتحديد الأنواع الموجودة ، إلا أنها توفر جزءًا فقط من صورة تنوع الميكروبيوم ووظيفته. ذلك لأن السلالات المختلفة في نوع واحد من البكتيريا يمكن أن تحتوي على اختلافات جينية كبيرة ، والتي غالبًا ما تكون كبيرة بما يكفي للحث على سلوكيات مختلفة.

حتى الآن ، يتطلب تحديد الاختلافات الجينية في عينة ميكروبيوم قوة حوسبة عالية الأداء وتخزين سحابي - وهو شيء غير متاح لمعظم المعامل. كان على الباحثين مقارنة ملايين شظايا الحمض النووي من جينومات آلاف البكتيريا الموجودة في الميكروبيوم بقاعدة بيانات مع تسلسل كل كائن حي دقيق معروف ، باستخدام تقنية تُعرف باسم محاذاة التسلسل.

أدركت بولارد وزملاؤها أن الامتدادات الطويلة لتسلسل الجينوم شائعة بين العديد من الأنواع أو السلالات البكتيرية. لذلك ، لا يمكن استخدام هذه التسلسلات للمساعدة في تحديد سلالة بكتيرية معينة. مستوحى من الأساليب التي تحلل فقط المناطق الأكثر تنوعًا في الجينوم البشري ، شرع الفريق في العثور على الحد الأدنى من معلومات التسلسل التي يحتاجون إليها لاستخراجها من بيانات الميكروبيوم لتحديد السلالات التي يحتويها.

قام الباحثون بتحليل أكثر من 100,000 جينوم عالي الجودة ومتاح للجمهور من حوالي 900 نوع بكتيري موجود بشكل شائع في الأمعاء البشرية. اكتشفوا 104 مليون سلسلة قصيرة من الحمض النووي في الجينومات البكتيرية والتي تختلف في أغلب الأحيان بين سلالات البكتيريا. بعد ذلك ، استخدموا هذه المعلومات لتصميم خوارزمية جديدة ، يطلق عليها GenoTyper for Prokaryotes (GT-Pro) ، والتي تبحث في بيانات تسلسل الميكروبيوم عن التطابقات الدقيقة للسلاسل الرئيسية التي تعمل كمعرفات للسلالات البكتيرية. على عكس طرق محاذاة التسلسل السابقة ، فإن GT-Pro يناسب ذاكرة الكمبيوتر المحمول ولا يتطلب حوسبة عالية الأداء وائتمانات سحابية.

كان مجال البحث مقيدًا في السابق بحقيقة أن عددًا قليلاً فقط من المعامل حول العالم لديها المال أو أجهزة الكمبيوتر لتحليل بيانات الميكروبيوم عند دقة السلالات.

قبل وبعد المضادات الحيوية

أحد الأسئلة التي سعى باحثو الميكروبيوم جاهدين للإجابة عنها في السنوات الأخيرة هو مدى تغير الميكروبيوم في جسم شخص واحد بمرور الوقت. لقد تم تناول هذا السؤال على مستوى الأنواع ؛ قام العلماء بتتبع كيفية تغير تكوين الأنواع من الميكروبيومات لدى الناس جنبًا إلى جنب مع النظام الغذائي أو المرض أو التغيرات البيئية. لكن النتائج فشلت في تفسير كيفية اكتساب الميكروبيوم وظائف جديدة ، مثل مقاومة المضادات الحيوية أو القدرة على تعطيل أدوية العلاج الكيميائي ، عندما تظل تركيبة الأنواع مستقرة من شهر لآخر.

أرادت بولارد وزملاؤها الخوض في هذا السؤال على مستوى أعمق ، من خلال تحليل كيف تتغير سلالات البكتيريا ، وليس الأنواع فقط ، بمرور الوقت. لقد أعادوا استخدام طريقة مصممة لتسلسل الخلايا البشرية الفردية واستخدموها لتشفير جزيئات الحمض النووي البكتيرية. مكن هذا المجموعة من تتبع سلالات فردية من البكتيريا في شخص واحد على مدار دراسة استمرت 5 أشهر.

قام الفريق بتسلسل الميكروبيوم لفرد سليم مرة واحدة في الأسبوع تقريبًا على مدار 5 أشهر. خلال تلك الفترة الزمنية ، تم تشخيص المريض بشكل مفاجئ بمرض لايم وتلقى دورة من المضادات الحيوية لمدة أسبوعين - المعروف عنها القضاء على العديد من أنواع البكتيريا ، بما في ذلك تلك التي تعيش في الأمعاء البشرية.

كان هذا صحيحًا في بعض الحالات - فقد كانت بعض أنواع الميكروبات وسلالاتها مرنة بشكل ملحوظ ، وكانت موجودة بجينومات غير متغيرة تقريبًا في بداية ونهاية فترة الخمسة أشهر. ولكن في حالات أخرى ، كانت السلالات الموجودة بعد المضادات الحيوية مختلفة وراثيًا عن تلك الموجودة في البداية على الرغم من أن وفرة الأنواع لم تتغير. الأهم من ذلك ، أن هذه الاختلافات كانت ستفقد إذا كان الفريق قد حلل فقط الأنواع الموجودة في كل عينة ميكروبيوم.

على الرغم من أن خوارزمية GT-Pro لم تكن متاحة بعد لاستخدامها في هذه الدراسة ، يقول بولارد إنها ستجعل إجراء دراسات مستقبلية مماثلة أسهل بكثير وأرخص.

رسم مسار جديد لدراسات الميكروبيوم

تشبه البكتيريا الموجودة في جسمك غابة - نظام بيئي حي ومتغير مع كائنات حية تتعايش في توازن دقيق. عند النظر إلى صور الأقمار الصناعية من الأعلى ، يمكن لعلماء البيئة مراقبة التغييرات الأكثر عمقًا وجذرية في الغابة ، لكنهم سيفقدون التعقيدات الدقيقة التي تشكل البيئة.

وبالمثل ، فإن أولئك الذين يدرسون الميكروبيوم من خلال مشاهدة كيفية تغير الأنواع قد حصلوا على رؤية عالية المستوى للشبكة ، ولم يروا سوى الروابط الأكثر وضوحًا للصحة والمرض. لكن مع GT-Pro ونظرة جديدة لسلالات الميكروبات ، كما يقول بولارد ، ستظهر روابط جديدة.

طباعة ودية، بدف والبريد الإلكتروني

عن المؤلف

رئيس التحرير

رئيسة التحرير هي ليندا هوهنهولز.

اترك تعليق