👂 👨🏾‍🤝‍👨🏼 👎 Microbiota. Geschichte der Studien- und Forschungsmethoden 🖊️ 🦄 🏔️

Wir haben viele Kommentare zum letzten Artikel erhalten und beschlossen mit Atlas, die Serie mit Material über andere Methoden zur Untersuchung von Mikrobiota zu ergänzen. Am Ende des Artikels fügten sie hinzu, dass Sie sich an Studien über Darmbakterien heute erinnern müssen, damit diese Ihre Gesundheit nicht schädigen.

Illustration von Rentonorama

Wie begann das Studium der Mikrobiota?

Die Darmmikrobiota wird als neues Organ im menschlichen Körper bezeichnet. Wir haben lange Zeit mehr oder weniger über andere Organe gewusst, aber erst Ende des 20. Jahrhunderts wurde bekannt, dass Bakterien wichtige Funktionen für den Menschen erfüllen. Das Studium der Mikrobiota begann im 17. Jahrhundert. Der Schöpfer des Mikroskops und „Vater der Mikrobiologie“, Anthony Van Levenguk, untersuchte und beschrieb zunächst Bakterien in der Mundhöhle und im Kot.

1828 führte Christian Ehrenberg den neuen Begriff Bakterium ein. In diesem Moment untersuchte er Escherichia coli (Escherichia coli), eine Bakterienart ohne Sporen. Für sporenbildende Bakterien prägte Christian den Begriff Bacillus. Diese Art von Bakterien wurde von Robert Koch aktiv untersucht. Er enthüllte auch die Beziehung zwischen pathogenen Vertretern dieser Gattung und Krankheiten wie Anthrax und Tuberkulose.

Bereits im 19. Jahrhundert haben Forscher verstanden, dass die menschliche Gesundheit eng mit Bakterien verbunden ist. Die vollständige Untersuchung von Mikrobiota wurde jedoch nach der Entdeckung der Gensequenzierungstechnologie durch Frederick Senger möglich. Nicht alle Arten können in Petrischalen leben und wachsen, daher war es schwierig, die Funktionen von Bakterien im Detail zu klassifizieren und zu bestimmen.

Zusammen mit der Entwicklung der Technologie in den 70er Jahren schlug der Mikrobiologe Karl Vöze vor, Mikroorganismen anhand der Sequenzierung des 16s-rRNA-Moleküls zu klassifizieren, um Nukleotidsequenzen zu vergleichen und den Affinitätsgrad zu bestimmen. Nach der Analyse teilte Karl alle Mikroorganismen in Archaeen, Bakterien und Eukaryoten ein. Diese Klassifizierung wird jetzt verwendet.

Eukaryoten zeichnen sich durch das Vorhandensein eines Kerns aus, Bakterien und Archaeen jedoch nicht. Archaea sind einfache einzellige Mikroorganismen, die unter extremen Bedingungen leben (in Geysiren, am Grund der Meere und Ozeane). Und sie sind die ältesten: Archaeen existieren auf der Erde seit ungefähr 4 Milliarden Jahren. Unter ihnen gibt es auch keine parasitären und pathogenen Mikroorganismen, und unter den Bakterien gibt es, wenn auch nicht so viele, wie wir denken - etwa 1%.

Archaea produzieren im menschlichen Darm Methan. Je mehr es gibt, desto geringer ist auch das Risiko für Fettleibigkeit, aber der Kausalzusammenhang bleibt unklar. Nicht alle haben Archaeen und gehen selten über 1-2% hinaus.

Bakterien leben in einer Vielzahl von Umgebungen und wir treten viel mehr mit ihnen in Kontakt als mit Archaeen. Sie unterscheiden sich in einer Reihe von Funktionen. Zum Beispiel können Bakterien Kohlenhydratmoleküle abbauen und Fettsäuren produzieren, Archaeen dagegen nicht.

Wie man Mikrobiota studiert

Bevor wir in die Forschung eintauchen, sollten wir zunächst unser Wissen über DNA-, RNA- und Proteinsynthese auffrischen.

Der Körper braucht Proteine, um richtig zu funktionieren. Hautgewebe benötigen eine, um eine Schutzfunktion aufrechtzuerhalten; Die Zellen der Augen, damit das Organ richtig funktioniert, sind unterschiedlich. Manchmal benötigen verschiedene Zellen und Gewebe dasselbe Protein. Um Proteine zu erzeugen, verwenden Zellen DNA als Anweisung.

Zunächst wird der Bereich bestimmt, in dem die erforderlichen Informationen enthalten sind. Doppelsträngige DNA wird abgewickelt und nur eine Seite wird kopiert. Dann wird die DNA zurückgespult und eine Kopie einer ihrer Seiten (RNA) nimmt das Ribosom auf. Sie liest die Sequenz und baut darauf eine Kette von Aminosäuren auf, die dann Gestalt annimmt und zu einem Protein wird.

Dies kann mit dem Kochen nach einem alten Rezeptbuch verglichen werden. Zuerst schreiben wir ein Rezept auf, um das zerbrechliche, aber wertvolle Buch nicht noch einmal zu verwenden. Weiter auf dem Rezept kombinieren wir verschiedene Produkte, wie Aminosäure-Ribosom, um das fertige Gericht zu erhalten. Für eine Zelle ist eine Schale ein Protein, das sie für ihre Bedürfnisse weiter verwendet. Mikroorganismen produzieren neben Protein auch andere Verbindungen wie Fettsäuren, die als Metaboliten gelten.

Zur Untersuchung von Mikroorganismen werden hauptsächlich vier Ansätze verwendet: Metagenom - DNA - Forschung, Metatranskriptom - RNA - Forschung, Metaproteomik - Proteinforschung, Metabolomik - Metabolitenforschung.

Metagenomische Sequenzierung

Metagenom - eine Reihe von Genen aller Organismen in der untersuchten Umgebung. Das Wesentliche dieser Analyse liegt in der Sequenzierung des 16s-rRNA-Gens, das für den Betrieb der ribosomalen RNA verantwortlich ist, oder in der Sequenzierung der gesamten DNA. Eine solche Studie beantwortet die Fragen: "Welche Organismen befinden sich in der Probe und welche Funktionen erfüllen sie möglicherweise?" Wir haben in einem früheren Artikel ausführlich über diese Technologie gesprochen, da der Test „Microbiota Genetics“ darauf aufbaut.

Normalerweise bezieht sich die Mikrobiota-Forschung auf diese spezielle Art der Analyse, da sie als erste in großem Maßstab zur Untersuchung von Bakterien verwendet wurde. Nach dem Aufkommen der DNA-Sequenzierungstechnologie starteten Wissenschaftler ein globales Projekt zur Untersuchung von Böden, Meeren und heißen Quellen. Dank der metagenomischen Analyse ist die Datenbank der Mikroorganismen exponentiell gewachsen. Durch Sequenzierung können Sie Bakterien in einer natürlichen Umgebung untersuchen, während unter Laborbedingungen viele von ihnen absterben.

2007 begannen US-Forscher ein Projekt zur Untersuchung des Human Microbiome Project . Es wurde zum Anstoß für eine groß angelegte Untersuchung der Zusammensetzung von Darmbakterien auf der Grundlage metagenomischer Daten. Nach dem HMP in Europa im Jahr 2008 startete MetaHit ein ähnliches Projekt zur Untersuchung menschlicher Mikrobiota.

Die Essenz metagenomischer Studien besteht darin, zu verstehen, welche Mikroorganismen in der Probe leben, wie viele es gibt und welche Funktionen sie erfüllen. Die Analyse bewertet nicht direkt, welche Verbindungen die Bakteriengemeinschaft produziert. Dank vieler metagenomischer Studien können wir dies jedoch indirekt vorhersagen. Wenn eine Person beispielsweise mehr Bakterienproduzenten von Buttersäure hat, produziert ihre Mikrobiota diese wahrscheinlich gut.

Metagenomische Studien sind weit verbreitet, da sie im Vergleich zu anderen Methoden einfacher durchzuführen sind. Die Untersuchung von RNA, Proteinen und Metaboliten erfordert eine ausgefeilte Probenreinigung und zeitaufwändigere Analysen.

Nach metagenomischen Daten haben wir die meisten Ergebnisse. Dies wird deutlich anhand aller wissenschaftlichen Artikel und der klinischen Forschung PubMed. Eine Suche nach metagenomischem Mikrobiom liefert ungefähr 4.500 verschiedene Artikel, eine metatranskriptomische Mikrobiomabfrage insgesamt 225, metaproteomisches Mikrobiom 100, metabomisches Mikrobiom 1.600.

Metatranskriptom-Sequenzierung

Ein Transkript ist die Gesamtheit aller Moleküle der Messenger-RNA (mRNA), die eine einzelne Zelle oder Gruppe von Mikroorganismen synthetisiert. Bei der Metatranskriptomanalyse wird die RNA direkt untersucht und nicht das Gen, das sie codiert.

Es kommt vor, dass es ein Bakterium gibt, aber es nimmt nicht am Leben der mikrobiellen Gemeinschaft teil: Es hat inaktive Gene, die nicht vom RNA-Molekül kopiert werden. Metatranskriptom-Studien ermöglichen es uns, den aktiven Teil der Mikrobiota genau zu bewerten. Das RNA-Molekül ist jedoch nicht so stabil wie DNA und zerfällt schnell. Daher ist es schwieriger und teurer, es zu isolieren und für die Analyse aufzubewahren.

Oft werden Transkriptomstudien verwendet, um bestimmte Genfunktionen zu untersuchen. In diesem Fall werden die Ergebnisse eines RNA-Tests anhand von metagenomischen Daten überprüft. So erhalten Wissenschaftler umfassendere Informationen über die Arbeit von Mikroorganismen. Mikrobiom-Metatranskriptom-Studien können nützlich sein, um das Potenzial für die Synthese verschiedener Metaboliten genauer zu bestimmen.

Metaproteomik

Mit diesem Ansatz werden alle Proteine in der Probe untersucht. Die Metaproteomik liefert Informationen über Struktur, Funktionen und Dynamik der mikrobiellen Gemeinschaft. Wissenschaftler werden mehr darüber erfahren, wie Organismen miteinander interagieren, um Ernährung konkurrieren und Metaboliten produzieren.

Zunächst werden Proteine aus der Probe isoliert. Oft wird hierfür die Flüssigkeitschromatographie verwendet. Anschließend wird eine zusätzliche Analyse durchgeführt, um das Molekulargewicht - Massenspektrometrie zu bestimmen. So erhalten wir Informationen über Proteinfragmente (Peptide), aber nicht über das gesamte Protein. Um die Fragmente zu einem Ganzen zusammenzufassen, werden spezielle Programme verwendet, und Wissenschaftler erhalten vorgefertigte Daten.

Metoproteomics sind derzeit weniger beliebt als DNA- und RNA-Studien. Dies liegt an der Komplexität der Forschung und der hohen Fehlerwahrscheinlichkeit. Eine Probe kann viele menschliche oder Lebensmittelproteine enthalten. Die Metaproteomik kann Wissenschaftlern jedoch helfen, die Wechselwirkungen zwischen Bakterien und die Störung der Mikrobiota bei Menschen mit Krankheiten zu beleuchten.

Metabolomics

Mit dieser Art der Analyse werden Metaboliten untersucht - Substanzen, die Bakterien produzieren. Dies können Aminosäuren, Lipide, Zucker, Fettsäuren (einschließlich Buttersäure) und andere Verbindungen sein. Jetzt werden etwa 40.000 Metaboliten des menschlichen Körpers beschrieben und alle in einer großen Datenbank erfasst .

Als Probe für die Untersuchung von Metaboliten können Sie jede Flüssigkeit aus dem menschlichen Körper verwenden: Blut, Speichel, Urin, Darmspülung (Spülung) und sogar Liquor cerebrospinalis. Im Durchschnitt sind etwa 4200 Metaboliten im Blutplasma, 3000 im Urin, 500 im Liquor cerebrospinalis und 400 im Speichel enthalten. Lavage wird jedoch als Biomaterial für Mikrobiota-Studien verwendet.

Das Verfahren zur Untersuchung von Metaboliten ähnelt der Proteinanalyse. Unter Verwendung der gleichen Flüssigkeits- oder Gaschromatographie werden die Metaboliten zuerst isoliert und dann ihr Molekulargewicht unter Verwendung eines Massenspektrometers gemessen.

Die Untersuchung von Metaboliten hat ihre Grenzen. Basierend auf dieser Studie können wir beispielsweise nicht genau herausfinden, welche Metaboliten von der Darmmikrobiota ausgeschieden werden und welche wir mit der Nahrung erhalten haben.

Es ist auch unmöglich zu berechnen, wie viele Bakterien in der Mikrobiota enthalten sind. Für ein vollständigeres Bild werden Daten zu Metaboliten daher von den Ergebnissen metagenomischer Analysen begleitet. Dieser Ansatz wird manchmal verwendet, um zu untersuchen, wie Mikrobiota und ihre Metaboliten an der Entwicklung von Krankheiten beteiligt sind.

Woran Sie sich erinnern sollten

Bisher wurde in der regulären klinischen Praxis keine Mikrobiota-Forschungsmethode angewendet. Manchmal kann ein Arzt für ein vollständiges Bild empfehlen, eine metagenomische Untersuchung von Mikrobiota durchzuführen, um die Zusammensetzung von Darmbakterien zu bewerten.

Wir warnen Benutzer, dass der Microbiota Genetics- Test nur zu Bildungszwecken dient und für gesunde Menschen gedacht ist, die daran interessiert sind, ihre Bakterien kennenzulernen. Wenn eine Person krank ist, kann sie die Zusammensetzung der Bakterien herausfinden, aber die Empfehlungen in diesem Fall sind nicht relevant. Die Mikrobiota von Menschen mit Krankheiten ist sehr unterschiedlich, und für sie wird das „normale“ Profil unterschiedlich sein.

Wir raten Kindern nicht, die Studie durchzuführen, da ihre Mikrobiota-Daten viel geringer sind. Ein unnötiges Eingreifen und eine Einschränkung der Ernährung von Kindern gemäß den Ergebnissen der Studie ist möglicherweise gefährlich, da das Kind möglicherweise nicht die erforderlichen Nährstoffe erhält oder unter einer Überdiagnose leidet.

Heute wird den Bewohnern Russlands und der GUS-Staaten eine Untersuchung der Mikrobiota-Metaboliten für Kinder und Erwachsene unter Verwendung einer Blut- oder Speichelprobe mittels Gaschromatographie und Massenspektrometrie angeboten. Nach seinen Ergebnissen ist es nach Ansicht der Entwickler dieser Methode möglich, das Vorhandensein und Nichtvorhandensein von Entzündungen im Körper zu beurteilen.

In internationalen klinischen Richtlinien gibt es jedoch keine derartigen Empfehlungen. Die Diagnose von Entzündungen und Krankheiten sollte mit Methoden erfolgen, die ein hohes Maß an Evidenz, ein gewisses Maß an Sensitivität, eine geringe Wahrscheinlichkeit falsch positiver Ergebnisse und Komplikationen einer Überdiagnose aufweisen.

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Microbiota. Geschichte der Studien- und Forschungsmethoden