Создан самый сложный и полный синтетический микробиом

Исследования последнего десятилетия показали, что микробиом кишечника — сообщество сотен видов бактерий — влияет на нейроразвитие, эффективность иммунотерапии рака и другие аспекты здоровья. Однако эти сообщества сложны, и без систематических методов изучения их компонентов конкретные клетки и молекулы, связанные с болезнями, остаются загадкой.

Исследователи из Стэнфордского университета создали самый сложный и хорошо определённый синтетический микробиом — сообщество из более чем 100 видов бактерий, которое успешно пересадили мышам. Возможность добавлять, удалять и редактировать отдельные виды позволит лучше понять связь между микробиомом и здоровьем и в перспективе разработать новые методы терапии.

Многие ключевые исследования микробиома проводились с помощью трансплантации фекальной микробиоты, которая переносит весь естественный микробиом от одного организма к другому. Но нет инструментов для удаления или модификации одного вида среди сотен в образце.

"Так много из того, что мы знаем о биологии, мы бы не узнали, если бы не могли манипулировать сложными биологическими системами по частям", — сказал Майкл Фишбах, автор исследования, опубликованного в Cell 6 сентября.

Решение заключалось в том, чтобы создать микробиом с нуля, вырастив каждую бактерию по отдельности, а затем смешав их.

Построение сообщества

Каждая клетка в микробиоме занимает свою функциональную нишу. Чтобы создать стабильное и функциональное сообщество, команда обратилась к данным проекта Human Microbiome Project (HMP) Национальных институтов здоровья (NIH).

"Мы искали "Ноев ковчег" бактериальных видов в кишечнике человека, пытаясь найти те, которые есть почти у каждого", — сказал Фишбах.

Они выбрали более 100 штаммов, присутствовавших как минимум у 20% участников HMP. В итоге получилось 104 вида. Их смешали в одну культуру, названную human community one, или hCom1.

Сообщество успешно колонизировало кишечник стерильных мышей: 98% видов прижились, а их относительная численность оставалась стабильной в течение двух месяцев.

Проверка устойчивости

Чтобы сделать сообщество более полным, исследователи использовали теорию колонизационной резистентности: новая бактерия выживет, только если займёт незанятую нишу.

Они ввели в hCom1 полный естественный микробиом из образца человеческого кала. Сообщество hCom1 показало устойчивость: только около 10% клеток в финальном сообществе были из трансплантата.

Было обнаружено более 20 новых видов бактерий, которые внедрились в сообщество. Их добавили к исходному набору, а неприжившиеся виды удалили. Так получили второе сообщество из 119 штаммов — hCom2. Оно показало ещё большую устойчивость к "фекальному вызову".

Практическое применение

Для демонстрации полезности модели мышей с hCom2 заразили образцом E. coli. Эти мыши, как и мыши с естественным микробиомом, оказались устойчивы к инфекции.

Исследователи смогли пойти дальше: итеративно удаляя или модифицируя определённые штаммы, они определили, какие именно бактерии обеспечивают защиту. Было найдено несколько ключевых видов.

Фишбах считает, что hCom2 или его будущие версии позволят проводить аналогичные редукционистские исследования для изучения роли бактерий в других областях, например, в ответе на иммунотерапию.

"Мы создали это сообщество для всего научного сообщества. Мы хотим, чтобы оно попало в как можно больше рук, чтобы повлиять на область", — сказал Фишбах.

Такой метод создания микробиома с нуля может сделать возможной разработку терапий на основе инженерных микробных сообществ для лечения или профилактики различных заболеваний.