Пространственные карты дают новый взгляд на микробиом кишечника

Исследователи из Корнеллского университета разработали инструмент визуализации для создания детальных пространственных карт, показывающих расположение и идентичность сотен различных видов микробов, например, составляющих микробиом кишечника. Этот инструмент поможет учёным понять, как сложные сообщества микроорганизмов взаимодействуют друг с другом и со своей средой, то есть с нами.

Работа "Highly Multiplexed Spatial Mapping of Microbial Communities" опубликована 2 декабря в журнале Nature. Ведущий автор — аспирант Хао Ши.

"Существуют сообщества бактерий, которые живут в наших телах и играют важную роль в здоровье и биологии человека, и эти микробы очень разнообразны. Мы знаем это благодаря таким технологиям, как секвенирование ДНК, которое создаёт списки присутствующих в сообществе видов бактерий, — сказал Ивейн Де Вламинк, старший автор статьи. — Однако существует очень ограниченное количество инструментов, чтобы понять пространственные взаимодействия между этими микробами, а они, очевидно, важны для понимания метаболизма этих сообществ и того, как эти микробы взаимодействуют со своим хозяином".

Де Вламинк и Ши создали свой метод визуализации, используя двухэтапный процесс под названием HiPR-FISH (высокофилогенетическое картирование микробиома с помощью флуоресцентной гибридизации in situ).

• Для локализации микробных сообществ исследователи разработали олигонуклеотидные зонды, нацеленные на конкретные бактериальные клетки на основе наличия сигнатурной последовательности гена — 16S рибосомной РНК.
• Другая группа зондов маркирует клетки флуорофорами.
• Затем команда использовала конфокальную микроскопию, чтобы "подсветить" флуоресцентные маркеры лазерами, а также машинное обучение и специальное программное обеспечение для декодирования флуоресцентных спектров и интерпретации изображений.

В результате получилась эффективная и экономичная технология с разрешением на уровне отдельной клетки.

Исследователи создали палитру для своих пространственных карт, используя смесь 10 основных цветов, которые могли "раскрасить" в общей сложности 1023 возможные цветовые комбинации E. coli, каждая из которых была помечена уникальным двоичным штрих-кодом.

Команда применила свою технологию к двум разным системам: микробиому кишечника у мышей и микробиому зубного налёта у человека. В случае с микробиомом кишечника им удалось продемонстрировать, как пространственные ассоциации между разными бактериями нарушаются под действием антибиотиков.

Пространственное картирование может стать важным инструментом для изучения и, возможно, лечения ряда заболеваний, в которых бактерии играют ключевую роль, таких как воспалительные заболевания кишечника, колоректальный рак и инфекции.

"Мы хотели бы глубже изучить биологию систем, где микробиомы играют важную роль, и попытаться понять, как такого рода пространственная динамика меняется при развитии заболевания", — сказал Хао Ши.