Cercetătorii de la Universitatea din California San Diego dezvoltă o nouă metodă pentru prezicerea și remodelarea microbiomurilor
Cercetătorii de la Universitatea din California San Diego au creat un nou instrument pentru a înțelege și modifica orice microbiom, inclusiv microbiomul uman.
Această abordare, denumită Microbial Interaction and Niche Determination (MIND), prezice cu acuratețe modul în care microbii concurează în comunități complexe și identifică preferințele lor nutriționale specifice. Rezultatele, publicate pe 17 aprilie în revista Cell, au potențialul de a accelera transferul științei microbiomului din laborator în clinică, deschizând calea pentru terapii microbiomice foarte țintite, ca alternativă la antibioticele tradiționale.
Până acum, stabilirea unei legături cauzale între un microb specific și o anumită boală a rămas dificilă, împiedicând dezvoltarea terapiilor bazate pe microbiom. Cercetarea microbiomului a fost, în general, descriptivă: cercetătorii puteau observa care bacterii erau prezente în intestin sau în alte medii, dar le lipsea capacitatea de a prezice modul în care interacționează sau cum variază abundanța microbilor specifici.
„Cercetarea microbiomului, în general, a fost foarte descriptivă și nu am putut manipula microbiomurile pentru că nu înțelegeam cum se assemblează, cum sunt menținute și dinamica din interiorul lor”, a declarat autorul principal Karsten Zengler, profesor la UC San Diego School of Medicine și membru al Center for Microbiome Innovation din cadrul Jacobs School of Engineering.
Abordarea MIND mută domeniul de la descrierea microbiomurilor la controlul activ și precis al acestora. Potrivit lui Zengler, controlul unui microbiom necesită cunoașterea a ceea ce își doresc bacteriile și cu care alți microbi concurează pentru a obține aceste resurse.
MIND descifrează aceste interacțiuni prin analizarea modului în care microbii își alocă resursele finite pentru a traduce ARN-ul mesager (mRNA) în proteine funcționale, care reprezintă cel mai consumator de energie proces celular. Prin măsurarea proteinelor specifice pe care un microb le produce activ în orice moment, folosind o tehnică numită profilare a ribozomilor, instrumentul dezvăluie care nutrienți sunt preferați și cum își alocă energia.
Dacă două tipuri diferite de bacterii preferă aceleași nutrienți, MIND le semnalează ca fiind concurente.
Aplicând această abordare la mii de microbi, cercetătorii pot cartografia interacțiunile competitive complexe și prezice modul în care comunitățile vor răspunde atunci când specii sunt adăugate sau eliminate.
Dotat cu această hartă a interacțiunilor, cercetătorii au testat predicțiile prin introducerea unor nutrienți specifici (prebiotice) precum zaharuri și aminoacizi pentru a hrăni selectiv și a stimula anumite microorganisme, permițându-le să concureze cu altele și remodelând comunitatea microbiană în mai multe medii:
- Comunități microbiene sintetice: Într-o comunitate microbiană formată din 16 membri, MIND a prezis corect interacțiunile competitive și a identificat care microbi specifici vor beneficia de adăugarea anumitor substanțe.
- Microbiomuri de sol: MIND a prezis cu acuratețe care nutrienți vor stimula bacteriile benefice și vor înlătura natural concurenții.
- Microbiomuri umane: Instrumentul a identificat nutrienții preferați ai bacteriilor benefice din intestinul sugarilor, precum Bifidobacterium, ghidând intervenții precise cu prebiotice (nutrienți precum zaharuri și aminoacizi) și probiotice (microbi) care au promovat selectiv bacteriile țintă, în timp ce suprimau concurenții.
- Model de șoarece viu: MIND a prezis că o bacterie intestinală benefică, Faecalibaculum rodentium, va prospera în prezența lactozei. Suplimentarea șoarecilor cu lactoză a îmbogățit selectiv această bacterie, demonstrând că metoda funcționează în siguranță și cu precizie într-un organism viu.
„A arăta că putem face acest lucru nu doar într-un flacon, ci și într-un organism viu a fost surprinzător”, a afirmat Zengler. El consideră că descoperirile au implicații majore pentru tratarea bolilor infecțioase, permițând intervenții prebiotice rapide, cost-eficiente și precise.
De exemplu, mulți adulți sănătoși găzduiesc în mod natural bacterii potențial periculoase, cum ar fi Clostridioides difficile sau Staphylococcus aureus, fără a se îmbolnăvi, deoarece microbii benefici le mențin sub control. Utilizarea MIND pentru a identifica acești concurenți naturali ar putea permite clinicianilor să administreze prebiotice care să reducă nivelurile patogenilor doar suficient pentru a preveni o infecție. Aceasta oferă o abordare suplimentară față de utilizarea antibioticelor cu spectru larg, care pot distruge și bacteriile benefice și pot conduce la rezistența la antibiotice.
„Beneficiul acestei abordări este că profitați de interacțiunile competitive între bacterii care s-au dezvoltat de-a lungul a milioane de ani, așa că este puțin probabil să apară rezistență”, a spus Zengler.
El subliniază că hrănirea selectivă a bacteriilor benefice cu prebiotice este adesea superioară introducerii de bacterii probiotice vii, deoarece multe tulpini nu pot fi stabilizate sau produse în masă cu succes și, frecvent, nu reușesc să se integreze în comunitățile microbiomice existente.
Și deoarece MIND se bazează pe manipularea microbilor care apar în mod natural, în loc de dezvoltarea de noi medicamente, aceste terapii ar fi mai rentabile, ar înfrunta mai puține obstacole de reglementare și ar putea ajunge mai repede în clinică.
„În prezent, avem în derulare teste clinice de siguranță mici în care oamenii iau nutrienți specifici pe care i-am identificat ca prebiotice pentru a preveni disbioza, un dezechilibru al microbiomului cauzat de bacterii patogene”, a spus Zengler.
Peste sănătatea umană, abordarea MIND are o mulțime de alte aplicații, inclusiv combaterea schimbărilor climatice prin promovarea microbilor care îmbunătățesc stocarea carbonului în sol și îmbunătățirea rezistenței plantelor la patogeni.
„Aceasta deschide cu adevărat multe posibilități în cercetarea microbiomului”, a spus Zengler, care este, de asemenea, director facultar al Soil Center la UC San Diego Scripps Institution of Oceanography. „În loc să descriem doar cât de important este microbiomul, putem manipula activ compoziția microbiomului pentru rezultate îmbunătățite.”
