Смешанная организация кишечных бактерий раскрыта с помощью технологии визуализации микробиома

Нарушения в микробиоме человеческого кишечника коррелируют с рядом заболеваний, включая ожирение и рак. Однако о пространственной организации почти 1000 видов бактерий в кишечнике известно мало, а она может влиять на взаимодействие видов друг с другом и с организмом-хозяином.

В новом совместном исследовании учёные из Морской биологической лаборатории в Вудс-Хоуле, Института Форсайта и Вашингтонского университета в Сент-Луисе создали упрощённую модель человеческого кишечного микробиома у стерильных мышей и раскрыли его структуру с помощью технологий визуализации, разработанных в MBL. Исследование опубликовано на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Мы думали, что увидим кластеры бактерий, где одни виды собираются вокруг частиц пищи, а другие обильны в слое слизи кишечника, который отделяет бактерии от тканей хозяина, — говорит ведущий автор исследования Джессика Марк Уэлч. — Вместо этого мы увидели смешанное сообщество, где каждая клетка, как правило, находилась рядом с клетками другого вида». Бактериальные сообщества возле слоя слизи и в просвете кишечника (где переваренная пища продвигается мышечными сокращениями) выглядели схоже.

«Исследование предполагает, что хозяин перемешивает микробы и не даёт формироваться крупным скоплениям бактерий одного вида, — говорит Марк Уэлч. — Хозяин делает это, слущивая слизь и эпителиальные клетки в просвет, а также механически перемешивая содержимое кишечника. Возможно, это смешивание создаёт эволюционно стабильное микробное сообщество».

«Никто раньше не смотрел на сложное микробное сообщество в кишечнике таким образом, — говорит старший автор Гэри Бориси. — Если мы действительно хотим понять роль микробиома, недостаточно знать лишь то, какие микробы присутствуют. Мы также должны узнать, что они делают, с кем общаются и почему. Часть ответа на этот вопрос — выяснить, кто рядом с кем и кто рядом с чем».

Понимание пространственной структуры микробиомов — молодая область, которую эти исследователи развивают с помощью своей новой технологии визуализации. То, что они увидели в модели кишечника, контрастирует с их предыдущим исследованием зубного налёта человека, где они обнаружили высокоорганизованные скопления бактериальных видов.

«Мы не до конца понимаем, почему организация микробиома так различается во рту и в кишечнике, — говорит Марк Уэлч. — Это может быть связано со скоростью потока. Во рту, если бактерии не прикрепляются к чему-либо — друг к другу или к хозяину — они оказываются в желудке за считанные секунды. В кишечнике поток содержимого происходит в масштабе часов, а не секунд».

Марк Уэлч и коллеги в настоящее время исследуют организацию микробиома в ряде человеческих и морских экосистем, включая язык человека, кишечник каракатицы, поверхность водорослей и морского пластикового мусора.

Их технология визуализации даёт исследователям уникальную возможность одновременно визуализировать и идентифицировать 15 и более таксонов микробов, используя метод Combinatorial Labeling and Spectral Imaging - Fluorescence in situ Hybridization (CLASI-FISH). Модельный кишечный микробиом команды содержал 15 видов бактерий, типично обильных в кишечнике человека.