माइक्रोबायोटा। अध्ययन और अनुसंधान के तरीकों का इतिहास

हमने पिछले लेख पर बहुत सारी टिप्पणियां प्राप्त कीं और एटलस के साथ निर्णय लिया कि श्रृंखला को सामग्री के साथ पूरक करने के लिए माइक्रोबायोटा के अध्ययन के अन्य तरीके क्या हैं। लेख के अंत में, उन्होंने कहा कि आपको आज आंतों के जीवाणुओं के अध्ययन के बारे में याद रखने की आवश्यकता है ताकि वे आपके स्वास्थ्य को नुकसान न पहुँचाएँ।


रेंटोनोरमा द्वारा चित्रण

माइक्रोबायोटा का अध्ययन कैसे शुरू हुआ?

आंतों के माइक्रोबायोटा को मानव शरीर में एक नया अंग कहा जाता है। हम लंबे समय तक अन्य अंगों के बारे में अधिक या कम जानते हैं, लेकिन यह केवल 20 वीं शताब्दी के अंत में ही ज्ञात हो गया कि बैक्टीरिया मनुष्यों के लिए महत्वपूर्ण कार्य करते हैं। माइक्रोबायोटा का अध्ययन XVII सदी में शुरू हुआ। माइक्रोस्कोप के निर्माता और "माइक्रोबायोलॉजी के जनक", एंथोनी वान लेवेनगुक ने पहली बार मौखिक गुहा और मल में बैक्टीरिया की जांच की और वर्णन किया।

1828 में, क्रिश्चियन एहेनबर्ग ने बैक्टीरिया शब्द की नई शुरुआत की। उस समय, वह एस्चेरिचिया कोली (एस्चेरिचिया कोलाई) का अध्ययन कर रहा था, जो बिना बीजाणु के जीवाणुओं की एक प्रजाति थी। बीजाणु बनाने वाले बैक्टीरिया के लिए, ईसाई ने बैसिलस शब्द गढ़ा। रॉबर्ट कोच द्वारा इस प्रकार के जीवाणुओं का सक्रिय रूप से अध्ययन किया गया था। उन्होंने इस जीन के रोगजनक प्रतिनिधियों और एंथ्रेक्स और तपेदिक जैसे रोगों के बीच संबंधों का भी खुलासा किया।

पहले से ही 19 वीं शताब्दी में, शोधकर्ताओं ने समझा कि मानव स्वास्थ्य बैक्टीरिया से निकटता से जुड़ा हुआ है। हालांकि, फ्रेडरिक सैंसर द्वारा जीन अनुक्रमण तकनीक की खोज के बाद माइक्रोबायोटा का पूर्ण अध्ययन संभव हो गया। पेट्री डिश में सभी प्रजातियां रहने और बढ़ने में सक्षम नहीं हैं, इसलिए बैक्टीरिया के कार्यों को विस्तार से वर्गीकृत करना और निर्धारित करना मुश्किल था।

70 के दशक में प्रौद्योगिकी के विकास के साथ, माइक्रोबायोलॉजिस्ट कार्ल वोइस ने 16s rRNA अणु की अनुक्रमण के आधार पर वर्गीकरण सूक्ष्मजीवों का प्रस्ताव किया, जो न्यूक्लियोटाइड अनुक्रमों की तुलना करने और आत्मीयता की डिग्री निर्धारित करने के लिए सुविधाजनक बनाता है। विश्लेषण के अनुसार, कार्ल ने सभी सूक्ष्मजीवों को आर्किया, बैक्टीरिया और यूकेरियोट्स में विभाजित किया। अब इस वर्गीकरण का उपयोग किया जाता है।



यूकेरियोट्स एक नाभिक की उपस्थिति से प्रतिष्ठित होते हैं, लेकिन बैक्टीरिया और आर्किया नहीं होते हैं। आर्किया सरल एककोशिकीय सूक्ष्मजीव हैं जो चरम स्थितियों (गीज़र में, समुद्र और महासागरों के तल पर) में रहते हैं। और वे सबसे प्राचीन हैं: लगभग 4 बिलियन वर्षों से पृथ्वी पर आर्किया मौजूद हैं। इसके अलावा, उनमें से कोई भी परजीवी और रोगजनक सूक्ष्मजीव नहीं हैं, और बैक्टीरिया के बीच हैं, हालांकि हम जितना सोचते हैं, उतने नहीं हैं।

मानव आंतों में, आर्किया मीथेन का उत्पादन करते हैं। इसके अलावा, वहाँ अधिक हैं, मोटापे का खतरा कम है, लेकिन कारण संबंध स्पष्ट नहीं है। सभी में आर्किया नहीं होती है और शायद ही कभी 1-2% से अधिक होती है।

बैक्टीरिया विभिन्न प्रकार के वातावरण में रहते हैं और हम आर्किया की तुलना में उनके साथ बहुत अधिक संपर्क करते हैं। वे कई कार्यों में भिन्न होते हैं। उदाहरण के लिए, बैक्टीरिया कार्बोहाइड्रेट के अणुओं को तोड़ सकते हैं और फैटी एसिड का उत्पादन कर सकते हैं, जबकि आर्किया नहीं कर सकते।

माइक्रोबायोटा का अध्ययन कैसे करें

अनुसंधान में गोता लगाने से पहले, आइए पहले डीएनए, आरएनए और प्रोटीन संश्लेषण के हमारे ज्ञान को ताज़ा करें।

शरीर को ठीक से काम करने के लिए प्रोटीन की आवश्यकता होती है। त्वचा के ऊतकों, एक सुरक्षात्मक कार्य को बनाए रखने के लिए, एक की आवश्यकता होती है; आंखों की कोशिकाएं, ताकि अंग सही ढंग से काम करता हो, अलग-अलग होते हैं। कभी-कभी विभिन्न कोशिकाओं और ऊतकों को एक ही प्रोटीन की आवश्यकता होती है। प्रोटीन बनाने के लिए, कोशिकाएँ एक निर्देश के रूप में डीएनए का उपयोग करती हैं।

पहला, वह क्षेत्र जिसमें आवश्यक जानकारी निहित है, निर्धारित किया जाता है। डबल-फंसे हुए डीएनए निराधार हैं और केवल एक पक्ष की प्रतिलिपि बनाई गई है। तब डीएनए वापस घाव हो जाता है, और इसके एक पक्ष (आरएनए) की एक प्रतिलिपि राइबोसोम उठाती है। वह अनुक्रम पढ़ती है और उस पर अमीनो एसिड की एक श्रृंखला बनाती है, जो तब आकार लेती है और प्रोटीन बन जाती है।

इसकी तुलना एक पुरानी रेसिपी बुक के अनुसार खाना पकाने से की जा सकती है। सबसे पहले, हम एक नुस्खा लिखते हैं ताकि नाजुक का उपयोग न करें, लेकिन एक बार फिर मूल्यवान पुस्तक। नुस्खा पर आगे, हम विभिन्न उत्पादों को जोड़ते हैं, जैसे कि अमीनो एसिड राइबोसोम, तैयार पकवान प्राप्त करने के लिए। सेल के लिए, एक डिश एक प्रोटीन है जिसे वह अपनी आवश्यकताओं के लिए आगे उपयोग करता है। प्रोटीन के अलावा, सूक्ष्मजीव फैटी एसिड जैसे अन्य यौगिकों का उत्पादन करते हैं, जिन्हें मेटाबोलाइट्स माना जाता है।

सूक्ष्मजीवों का अध्ययन करने के लिए, मुख्य रूप से चार दृष्टिकोणों का उपयोग किया जाता है: मेटागेनोमिक - डीएनए अनुसंधान, मेटाट्रेनस्क्रिप्टोमिक - आरएनए अनुसंधान, मेटाप्रोटायोमिक्स - प्रोटीन अनुसंधान, मेटाबॉलिकम - मेटाबोलाइट अनुसंधान।

मेटाजेनोमिक सीक्वेंसिंग

मेटेगेनोम - अध्ययन किए गए वातावरण में सभी जीवों के जीन का एक सेट। इस विश्लेषण का सार 16s rRNA जीन की अनुक्रमण में है, जो राइबोसोमल आरएनए के संचालन के लिए या सभी डीएनए की अनुक्रमण में जिम्मेदार है। इस तरह के एक अध्ययन के सवालों का जवाब "नमूना में कौन से जीव हैं और वे संभावित रूप से क्या कार्य करते हैं?" हमने पिछले लेख में इस तकनीक के बारे में विस्तार से बात की थी, क्योंकि परीक्षण "माइक्रोबायोटा जेनेटिक्स" पर बनाया गया है।

आमतौर पर, माइक्रोबायोटा अनुसंधान इस विशेष प्रकार के विश्लेषण को संदर्भित करता है, क्योंकि यह पहली बार बैक्टीरिया का अध्ययन करने के लिए बड़े पैमाने पर इस्तेमाल किया गया था। डीएनए अनुक्रमण तकनीक के आगमन के बाद, वैज्ञानिकों ने मिट्टी, समुद्र, गर्म झरनों का अध्ययन करने के लिए एक वैश्विक परियोजना शुरू की। मेटागोनोमिक विश्लेषण के लिए धन्यवाद, सूक्ष्मजीवों के डेटाबेस में तेजी से वृद्धि हुई है। अनुक्रमण आपको एक प्राकृतिक वातावरण में बैक्टीरिया का अध्ययन करने की अनुमति देता है, जबकि प्रयोगशाला स्थितियों में, उनमें से कई मर जाते हैं।



2007 में, अमेरिकी शोधकर्ताओं ने मानव शरीर माइक्रोबायोम ह्यूमन माइक्रोबायोम प्रोजेक्ट का अध्ययन करने के लिए एक परियोजना शुरू की। यह मेटाजेनोमिक डेटा के आधार पर आंतों के बैक्टीरिया की संरचना के बड़े पैमाने पर अध्ययन के लिए प्रेरणा बन गया। 2008 में यूरोप में एचएमपी के बाद मानव माइक्रोबायोटा का अध्ययन करने के लिए इसी तरह की एक परियोजना शुरू की गई - मेटाहाइट ।

मेटागेनोमिक अध्ययनों का सार यह समझना है कि कौन से सूक्ष्मजीव नमूने में रहते हैं, कितने हैं और वे क्या कार्य करते हैं। विश्लेषण सीधे मूल्यांकन नहीं करता है कि जीवाणु समुदाय किस यौगिक का उत्पादन करता है। हालांकि, कई मेटागेनोमिक अध्ययनों के लिए धन्यवाद, हम इस अप्रत्यक्ष रूप से भविष्यवाणी कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, यदि किसी व्यक्ति में ब्यूटिरिक एसिड के अधिक बैक्टीरिया-उत्पादक हैं - तो उसका माइक्रोबायोटा शायद इसे अच्छी तरह से पैदा करता है।

मेटागोनोमिक अध्ययन व्यापक हैं क्योंकि वे अन्य तरीकों की तुलना में बाहर ले जाने के लिए आसान हैं। आरएनए, प्रोटीन और मेटाबोलाइट्स का अध्ययन करने के लिए परिष्कृत नमूना शुद्धि और अधिक समय लेने वाले विश्लेषण की आवश्यकता होती है।

मेटागेनोमिक डेटा के अनुसार, हमारे पास सबसे अधिक परिणाम हैं। यह सभी वैज्ञानिक लेखों और नैदानिक ​​अनुसंधान PubMed के आधार पर स्पष्ट रूप से देखा जाता है। मेटागेनोमिक माइक्रोबायोम की खोज 4,500 अलग-अलग लेखों के बारे में है, एक मेट्रैन्सट्रिप्टोमिक माइक्रोबायम क्वेरी कुल 225, मेटाप्रोटेक्निकल माइक्रोबायोम 100, मेटाबोमिक माइक्रोबायम 1,600।

मेटाट्रेनस्क्रिप्टोम अनुक्रमण

एक प्रतिलेख संदेशवाहक आरएनए (एमआरएनए) के सभी अणुओं की समग्रता है जो एकल कोशिका या सूक्ष्मजीवों के समूह को संश्लेषित करता है। मेटाट्रांसस्क्रिप्ट विश्लेषण में, आरएनए का सीधे अध्ययन किया जाता है, न कि उस जीन का जो इसे एनकोड करता है।

ऐसा होता है कि एक जीवाणु होता है, लेकिन यह माइक्रोबियल समुदाय के जीवन में भाग नहीं लेता है: इसमें निष्क्रिय जीन होते हैं जिन्हें आरएनए अणु द्वारा कॉपी नहीं किया जाता है। मेटाट्रांसस्क्रिप्ट अध्ययन हमें माइक्रोबायोटा के सक्रिय भाग का मूल्यांकन करने की अनुमति देता है। हालांकि, आरएनए अणु डीएनए की तरह स्थिर नहीं है, और जल्दी से क्षय होता है। इसलिए, विश्लेषण के लिए इसे अलग करना और सहेजना अधिक कठिन और अधिक महंगा है।



अक्सर जीनोटाइप के कुछ कार्यों का अध्ययन करने के लिए ट्रांसक्रिपटोम अध्ययन का उपयोग किया जाता है। इस मामले में, एक आरएनए परीक्षण के परिणाम को मेटागेनोमिक डेटा के खिलाफ सत्यापित किया जाता है। इसलिए वैज्ञानिकों को सूक्ष्मजीवों के काम के बारे में अधिक संपूर्ण जानकारी मिलती है। माइक्रोबायोम मेट्रान्सट्रिप्टोम अध्ययन विभिन्न मेटाबोलाइट्स के संश्लेषण की क्षमता को अधिक सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए उपयोगी हो सकता है।

Metaproteomika

इस दृष्टिकोण के साथ, नमूने में मौजूद सभी प्रोटीनों का अध्ययन किया जाता है। Metaproteomics माइक्रोबियल समुदाय की संरचना, कार्यों और गतिशीलता के बारे में जानकारी प्रदान करता है। वैज्ञानिक इस बारे में अधिक जानेंगे कि जीव एक-दूसरे के साथ कैसे बातचीत करते हैं, पोषण के लिए प्रतिस्पर्धा करते हैं और चयापचयों का उत्पादन करते हैं।

पहले, प्रोटीन को नमूने से अलग किया जाता है। अक्सर, इसके लिए तरल क्रोमैटोग्राफी का उपयोग किया जाता है। फिर आणविक भार - मास स्पेक्ट्रोमेट्री निर्धारित करने के लिए एक अतिरिक्त विश्लेषण किया जाता है। इसलिए हमें प्रोटीन के टुकड़े (पेप्टाइड्स) के बारे में जानकारी मिलती है, लेकिन पूरे प्रोटीन के बारे में नहीं। टुकड़ों को एक एकल में इकट्ठा करने के लिए, विशेष कार्यक्रमों का उपयोग किया जाता है, और वैज्ञानिक तैयार डेटा प्राप्त करते हैं।



वर्तमान में मेट्रोपोटॉमिक्स डीएनए और आरएनए अध्ययनों की तुलना में कम लोकप्रिय हैं। यह शोध की जटिलता और त्रुटि की उच्च संभावना के कारण है। एक नमूने में कई मानव या खाद्य प्रोटीन हो सकते हैं। हालांकि, मेटाप्रोटायोमिक्स वैज्ञानिकों को बैक्टीरिया और रोग के साथ लोगों में माइक्रोबायोटा के व्यवधान के बीच बातचीत पर प्रकाश डालने में मदद कर सकता है।

metabolomics

इस प्रकार के विश्लेषण से, चयापचयों का अध्ययन किया जाता है - वे पदार्थ जो बैक्टीरिया उत्पन्न करते हैं। ये अमीनो एसिड, लिपिड, शर्करा, फैटी एसिड (ब्यूटिरिक एसिड सहित) और अन्य यौगिक हो सकते हैं। अब मानव शरीर के लगभग 40,000 चयापचयों का वर्णन किया गया है, और उन सभी को एक बड़े डेटाबेस में दर्ज किया गया है।



मेटाबोलाइट्स के अध्ययन के लिए एक नमूने के रूप में, आप मानव शरीर से किसी भी तरल पदार्थ का उपयोग कर सकते हैं: रक्त, लार, मूत्र, आंतों की लावे (निस्तब्धता) और यहां तक ​​कि मस्तिष्कमेरु द्रव। औसतन, रक्त प्लाज्मा में लगभग 4200 चयापचयों, मूत्र में 3000, मस्तिष्कमेरु द्रव में 500, और लार में 400 होते हैं। हालांकि, लेवो का उपयोग माइक्रोटायोटा के अध्ययन के लिए बायोमेट्रिक के रूप में किया जाता है।

मेटाबोलाइट अध्ययन प्रक्रिया प्रोटीन विश्लेषण के समान है। एक ही तरल या गैस क्रोमैटोग्राफी का उपयोग करते हुए, चयापचयों को पहले पृथक किया जाता है और फिर एक जन स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके उनके आणविक भार को मापा जाता है।

मेटाबोलाइट्स के अध्ययन की अपनी सीमाएं हैं। उदाहरण के लिए, इस अध्ययन के आधार पर, हम यह पता नहीं लगा सकते हैं कि आंतों के माइक्रोबायोटा द्वारा कौन से मेटाबोलाइट्स उत्सर्जित होते हैं, और जो हम भोजन के साथ प्राप्त करते हैं।



इसके अलावा, यह गणना करना असंभव है कि माइक्रोबायोटा में कितने बैक्टीरिया शामिल हैं। इसलिए, अधिक संपूर्ण चित्र के लिए मेटाबोनामिक विश्लेषण के परिणामों के साथ मेटाबोलाइट्स पर डेटा होता है। इस दृष्टिकोण का उपयोग कभी-कभी यह अध्ययन करने के लिए किया जाता है कि रोग के विकास में माइक्रोबायोटा और इसके चयापचयों को कैसे शामिल किया जाता है।

क्या याद रखना

अब तक, नियमित नैदानिक ​​अभ्यास में कोई माइक्रोबायोटा अनुसंधान पद्धति का उपयोग नहीं किया गया है। कभी-कभी, एक पूरी तस्वीर के लिए, एक डॉक्टर आंतों के बैक्टीरिया की संरचना का मूल्यांकन करने के लिए माइक्रोबायोटा के मेटागेनोमिक अध्ययन आयोजित करने की सिफारिश कर सकता है।

हम उपयोगकर्ताओं को चेतावनी देते हैं कि माइक्रोबायोटा जेनेटिक्स परीक्षण केवल शैक्षिक उद्देश्यों के लिए है और स्वस्थ लोगों के लिए बनाया गया है जो अपने बैक्टीरिया को जानने में रुचि रखते हैं। यदि कोई व्यक्ति बीमार है, तो वह बैक्टीरिया की संरचना का पता लगाने में सक्षम होगा, लेकिन इस मामले में सिफारिशें प्रासंगिक नहीं होंगी। बीमारियों वाले लोगों का माइक्रोबायोटा बहुत अलग है, और उनके लिए "सामान्य" प्रोफ़ाइल अलग होगी।

हम बच्चों को अध्ययन करने की सलाह नहीं देते हैं, क्योंकि उनका माइक्रोबायोटा डेटा बहुत कम है। और अनावश्यक हस्तक्षेप और अध्ययन के परिणामों के अनुसार बच्चों के आहार को सीमित करना संभवतः खतरनाक है, क्योंकि बच्चे को आवश्यक पोषक तत्व प्राप्त नहीं हो सकते हैं या ओवरडायग्नोसिस से पीड़ित हो सकते हैं।

आज, रूस और सीआईएस देशों के निवासियों को गैस क्रोमैटोग्राफी और मास स्पेक्ट्रोमेट्री द्वारा रक्त या लार के नमूने का उपयोग करके बच्चों और वयस्कों के लिए माइक्रोबायोटा मेटाबोलाइट्स का अध्ययन करने की पेशकश की जाती है। इसके परिणामों के अनुसार, इस पद्धति के डेवलपर्स के अनुसार, शरीर में सूजन की उपस्थिति और अनुपस्थिति का आकलन करना संभव है।

हालांकि, अंतरराष्ट्रीय नैदानिक ​​दिशानिर्देशों में ऐसी कोई सिफारिश नहीं है। सूजन और बीमारी का निदान उन तरीकों से किया जाना चाहिए जिनमें उच्च स्तर के साक्ष्य होते हैं, संवेदनशीलता का एक निश्चित डिग्री, झूठे सकारात्मक परिणामों की एक कम संभावना और अतिदेयता की जटिलताओं।

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