Беспрецедентный каталог экосистемы кишечника человека
Международная команда ученых собрала все известные бактериальные геномы из микробиома кишечника человека в единую обширную базу данных. Это позволяет исследователям изучать связи между бактериальными генами и белками и их влияние на здоровье человека.
Проект возглавлял Европейский институт биоинформатики EMBL (EMBL-EBI) при участии Института Сэнгера, Университета Тренто, Институтов Гладстона и Объединенного института генома Министерства энергетики США. Работа опубликована в Nature Biotechnology.
Больше микробов, чем человеческих клеток
Бактерии покрывают тело человека снаружи и изнутри. Они производят белки, влияющие на пищеварение, здоровье и восприимчивость к болезням. Их так много, что, по оценкам, в микробиоме тела — бактериях, грибах и других микробах — клеток больше, чем собственно человеческих.
Чтобы понять роль бактерий в биологии человека, ученые обычно выделяют и культивируют их в лаборатории, а затем секвенируют их ДНК. Однако многие бактерии существуют в условиях, которые пока невозможно воспроизвести в лаборатории.
Для получения информации о таких видах исследователи используют другой подход: берут единый образец из среды — в данном случае кишечника человека — и секвенируют всю ДНК из этого образца. Затем с помощью вычислительных методов они реконструируют отдельные геномы тысяч видов. Этот метод, называемый метагеномикой, является мощной альтернативой выделению и секвенированию ДНК отдельных видов.
Биоразнообразие в кишечнике человека
«В прошлом году три независимые команды, включая нашу, реконструировали тысячи геномов микробиома кишечника. Ключевыми вопросами были: сопоставимы ли их результаты и можно ли объединить их в исчерпывающий каталог», — говорит Роб Финн, руководитель группы в EMBL-EBI.
Ученые собрали 200 000 геномов и 170 миллионов белковых последовательностей от более чем 4 600 бактериальных видов в кишечнике человека. Их новые базы данных — Unified Human Gastrointestinal Genome collection и Unified Gastrointestinal Protein catalog — демонстрируют огромное разнообразие в нашем кишечнике и открывают путь для дальнейших исследований микробиома.
«Этот огромный каталог — веха в исследованиях микробиома и бесценный ресурс для ученых, чтобы начать изучать и, надеюсь, понимать роль каждого бактериального вида в экосистеме кишечника человека», — объясняет Никола Сегата, руководитель исследования в Университете Тренто.
Проект показал, что более 70% обнаруженных бактериальных видов никогда не культивировались в лаборатории — их активность в организме остается неизвестной. Самую большую группу бактерий в этой категории составляют Comantemales — порядок кишечных бактерий, впервые описанный в 2019 году в исследовании группы Борка в EMBL в Гейдельберге.
«Было настоящим сюрпризом увидеть, насколько широко распространены Comantemales. Это подчеркивает, как мало мы знаем о бактериях в нашем кишечнике», — объясняет Александра Алмейда, научный сотрудник EMBL-EBI/Сэнгер в команде Финна. «Мы надеемся, что наш каталог поможет биоинформатикам и микробиологам сократить этот пробел в знаниях в ближайшие годы».
Свободно доступный ресурс данных
Все данные, собранные в Unified Human Gastrointestinal Genome collection и Unified Human Gastrointestinal Protein catalog, находятся в свободном доступе в MGnify — онлайн-ресурсе EMBL-EBI, который позволяет ученым анализировать свои микробные геномные данные и сравнивать их 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 быть расширен и на микробиомы других частей тела, например, кожи или полости рта.
«Этот каталог предоставляет очень богатый источник информации для микробиологов и клиницистов. Однако мы, вероятно, обнаружим еще много новых бактериальных видов в недостаточно изученных географических регионах, таких как Южная Америка, Азия и Африка. Мы все еще мало знаем о вариациях бактериального разнообразия среди разных человеческих популяций», — объясняет Алмейда.