دانشمندان باکتری‌های روده‌ای را شناسایی کرده‌اند که می‌توانند به سرعت گسترش یابند

به گزارش مجله خبری نگار، برخی از جمعیت‌های باکتری‌های روده می‌توانند بین افراد منتقل شوند و طی چند دهه در سراسر قاره‌ها گسترش یابند. علاوه بر این، در یک گونه میکروبی واحد، ممکن است دودمان‌های تکاملی متمایزی وجود داشته باشند که هر کدام ارتباط متفاوتی با پیری، بیماری التهابی روده، سرطان روده بزرگ و دیابت نوع ۲ دارند. اینها یافته‌های یک تیم بین‌المللی از محققان به رهبری دانشگاه وین است. ایزوستیا بررسی می‌کند که چرا میکروبیوم را نمی‌توان به معنای واقعی کلمه عفونی در نظر گرفت و چگونه این کشف می‌تواند تشخیص بیماری را تغییر دهد.

چرا نام یک باکتری کافی نیست؟

روده انسان محل زندگی تریلیون‌ها میکروارگانیسم است. آنها در کنار هم، میکروبیوم را تشکیل می‌دهند - یک اکوسیستم پیچیده که در هضم، متابولیسم و ​​عملکرد سیستم ایمنی نقش دارد. ترکیب آن تحت تأثیر رژیم غذایی، سن، داروها، بیماری‌ها، سبک زندگی و محیط زیست قرار دارد. تحقیقات جدید نشان می‌دهد که باید عامل دیگری به این لیست اضافه شود: انتقال باکتری‌ها بین افراد.

بیشتر مطالعات میکروبیوم، باکتری‌ها را بر اساس گونه یا شباهت ژنتیکی کلی گروه‌بندی می‌کنند. این رویکرد راحت است، اما می‌تواند تفاوت‌های قابل توجه بین میکروارگانیسم‌های نزدیک به هم را پنهان کند.

باکتری‌های درون یک گونه‌ی واحد می‌توانند ژن‌های متفاوتی داشته باشند، با سیستم ایمنی بدن به طور متفاوتی تعامل داشته باشند و جایگاه‌های اکولوژیکی متفاوتی را در روده اشغال کنند. یک جمعیت ممکن است التهاب را بهتر تحمل کند، جمعیت دیگر ممکن است از مواد مغذی خاصی به طور مؤثرتری استفاده کند و جمعیت سوم ممکن است در افراد سالم شایع‌تر باشد.

وقتی کل گونه‌ها را در نظر می‌گیریم، این تفاوت‌ها به طور میانگین دیده می‌شوند. این امر، تعیین اینکه کدام دودمان باکتریایی با بیماری مرتبط است، کدام به طور تصادفی وجود دارد و کدام به طور بالقوه نقش محافظتی ایفا می‌کند را برای محققان دشوارتر می‌کند.

برای یافتن این گروه‌های پنهان، نویسندگان از رویکردی به نام «بوم‌شناسی معکوس» استفاده کردند. به‌طور معمول، دانشمندان ابتدا شرایط محیطی را توصیف می‌کنند و سپس تعیین می‌کنند که کدام ارگانیسم‌ها با آنها سازگار شده‌اند. در اینجا، توالی معکوس شد: محققان ژنوم‌های باکتریایی را مطالعه کردند و با استفاده از ویژگی‌های حفظ‌شده، تاریخچه سازگاری با شرایط مختلف در روده را بازسازی کردند.

«شیائوکیان آنی یو»، نویسنده‌ی اصلی این مطالعه و محقق مرکز میکروبیولوژی و سیستم‌های محیطی در دانشگاه وین، توضیح داد: «با در نظر گرفتن نه تنها گونه‌ها، بلکه سازگاری تکاملی، واحد‌های مهم بیولوژیکی میکروبیوم را می‌توان با دقت بیشتری شناسایی کرد.»

چگونه دانشمندان به دنبال رده‌های باکتریایی موفق گشتند؟

محققان برای تجزیه و تحلیل خود، ۱۹۸۳۷ ژنوم باکتریایی که قبلاً منتشر شده بودند را جمع‌آوری کردند و علاوه بر آن ۱۸۶ نمونه به‌دست‌آمده از شرکت‌کنندگان در مطالعه در اتریش را توالی‌یابی کردند. پس از کنترل کیفیت، مجموعه اصلی شامل ۱۶۸۶۴ ژنوم بود. دانشمندان آنها را در ۱۷۶ گروه ژنومی، تقریباً مربوط به گونه‌های منفرد، طبقه‌بندی کردند. سپس نویسندگان از روش محاسباتی PopCoGenomeS که توسط نویسندگان توسعه داده شده بود، برای جستجوی شواهدی از جاروب انتخابی در سراسر ژنوم در آنها استفاده کردند.

این نامی است که به یک فرآیند تکاملی داده شده است که در آن یک باکتری جهش مفیدی را کسب می‌کند و نسبت به خویشاوندان نزدیک خود برتری پیدا می‌کند. فرزندان آن به سرعت تولید مثل می‌کنند و رقبای خود را از جایگاه خود بیرون می‌کنند. در نتیجه، تنوع ژنتیکی جمعیت به طور موقت کاهش می‌یابد و سپس دودمان پیروز دوباره شروع به تجمع جهش‌ها و تنوع در انواع جدید می‌کند.

در شجره‌نامه باکتری‌ها، این فرآیند الگوی مشخصی شبیه جارو به جا می‌گذارد: یک «دسته» بلند به گروهی از ژنوم‌های بسیار نزدیک به هم منتهی می‌شود. این مربوط به نوادگان یک جد واحد، نسبتاً جدید و با موفقیت پراکنده شده است.

پزشکان روش‌هایی را برای محافظت از کودکان در برابر عفونت‌ها پس از تماس با حیوانات مورد بحث قرار دادند.

این تجزیه و تحلیل با این واقعیت که باکتری‌ها قادر به تبادل بخش‌های جداگانه DNA هستند، پیچیده است. چنین نوترکیبی می‌تواند منشأ میکروارگانیسم‌ها را مبهم کند یا تصور نادرستی از ارتباط نزدیک ایجاد کند. بنابراین، نویسندگان به طور جداگانه ارزیابی کردند که کدام بخش‌های ژنوم مستقیماً از اجداد منتقل شده‌اند و کدام‌ها می‌توانستند از طریق تبادل مواد ژنتیکی به دست آمده باشند.

این الگوریتم در ابتدا ۳۷۷ مورد بالقوه از جستجوی انتخابی در سطح ژنوم را شناسایی کرد. دانشمندان سپس آنها را با استفاده از ۱۴۷۷ نمونه متاژنومیک از ۷۴ مجموعه داده آزمایش کردند. برخلاف ژنوم یک باکتری کشت شده منفرد، یک متاژنوم حاوی اطلاعات ژنتیکی ترکیبی کل جامعه میکروبی در نمونه است.

در نهایت، محققان ۱۲۴ دودمان تکاملی را در ۶۶ گروه باکتریایی تأیید کردند. این گروه‌ها شامل ۴۶ گروه از باکتری‌های روده‌ای عمدتاً غیربیماری‌زا، ۱۱ گروه از پاتوژن‌ها و نه گروه از باکتری‌هایی بودند که معمولاً در غذا‌های تخمیر شده و کاربردی یافت می‌شوند.

چگونه باکتری‌ها می‌توانند از قاره‌ها عبور کنند؟

وسعت پراکندگی باکتری‌های غیربیماری‌زا یا همزیست، به‌ویژه غیرمنتظره بود. از ۷۷ دودمان تکاملی شناسایی‌شده، ۵۴ دودمان در بیش از یک قاره یافت شدند. چهل و دو مورد از این دودمان‌ها هیچ قرابت منطقه‌ای مشخصی نشان ندادند. برای تخمین سن این جمعیت‌ها، نویسندگان از نرخ تجمع جهش به عنوان یک ساعت مولکولی استفاده کردند. محاسبات نشان داد که دودمان‌های تکاملی در طول هزاره‌ها پدید آمده‌اند، اما برخی از آنها نسبتاً جوان بوده‌اند.

محققان تخمین می‌زنند که ۲۶ دودمان باکتریایی کشف‌شده در چندین قاره ممکن است کمتر از ۱۰۰ سال پیش پدیدار شده باشند. این بدان معناست که باکتری‌های همزیست قادر به دستیابی به توزیع جهانی در طول عمر یک انسان هستند.

با این حال، سرعت حرکت آنها هنوز به طور قابل توجهی کمتر از عوامل بیماری‌زای اپیدمیک است. یک عامل بیماری‌زا می‌تواند در عرض چند هفته یا چند ماه در سطح جهان گسترش یابد، در حالی که عوامل بیماری‌زای روده‌ای رایج احتمالاً به دهه‌ها و زنجیره‌های انتقال طولانی نیاز دارند.

یکی از بارزترین نمونه‌ها، دودمان باکتروئیدس یونیفرمیس بود. این دودمان در میان مردمان باکا و بتی در کامرون و همچنین ماتسه‌ها در پرو یافت شد. این جوامع در قاره‌های مختلف قرار دارند و هیچ ارتباط مستقیمی با یکدیگر نداشته‌اند.

دانشمندان میزان بقای میکروب‌های زمینی را روی ماه ارزیابی کرده‌اند.

نویسندگان اظهار داشتند که این باکتری ممکن است از طریق زنجیره‌ای از جمعیت‌های انسانی دیگر منتقل شده باشد. احتمال دیگر این است که این دودمان مدت‌ها قبل از صنعتی شدن گسترش یافته، اما متعاقباً به دلیل تغییرات در سبک زندگی، رژیم غذایی و شرایط محیطی از بخش قابل توجهی از جمعیت ناپدید شده است. سن تخمینی آن از ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ سال متغیر است.

پروفسور مارتین پولز از دانشگاه وین، رهبر این مطالعه، خاطرنشان کرد که باکتری‌های روده‌ای سازگار شده به طور قابل توجهی پویاتر از آن چیزی هستند که قبلاً تصور می‌شد: آنها قادر به گسترش بین کشور‌ها و ایجاد جایگاه‌های جدید اکولوژیکی هستند.

با این حال، تجزیه و تحلیل ژنومی به ما اجازه نمی‌دهد که دقیقاً مشخص کنیم انتقال چگونه رخ داده است - از طریق تماس مستقیم، درون خانواده‌ها، غذا، آب یا منابع دیگر. این مطالعه نتایج شیوع طولانی مدت را نشان می‌دهد، اما تمام حلقه‌های این فرآیند را بازسازی نمی‌کند.

چگونه این کشف می‌تواند پزشکی را تغییر دهد؟

این یافته‌ها روش دقیق‌تری برای مطالعه میکروبیوم ارائه می‌دهند. دانشمندان به جای تلاش برای مرتبط کردن یک بیماری با کل یک گونه باکتریایی، قادر خواهند بود جمعیت‌های تکاملی خاص را در درون آن جست‌و‌جو کنند.

در آینده، چنین سویه‌هایی می‌توانند به نشانگر‌های زیستی تبدیل شوند - نشانه‌هایی که به ارزیابی سلامت روده یا احتمال برخی اختلالات کمک می‌کنند. این رویکرد همچنین می‌تواند مدل‌های تجربی را بهبود بخشد: محققان می‌توانند دقیقاً سویه‌هایی را که با بیماری مورد نظر مرتبط هستند، برای آزمایش‌ها انتخاب کنند، نه فقط هر نماینده‌ای از گونه‌های مربوطه.

در آینده‌ای دورتر، این امر می‌تواند منجر به توسعه مداخلات انتخابی میکروبیوم شود. از لحاظ تئوری، درمان‌ها می‌توانند جمعیت‌های نامطلوب خاص را بدون حذف تمام اعضای یک گونه سرکوب کنند، یا برعکس، رده‌هایی را با خواص بالقوه محافظتی حفظ کنند.

چنین روش‌هایی هنوز راه درازی در پیش دارند. نویسندگان هنوز باید مشخص کنند که کدام ژن‌ها به‌طور خاص به باکتری‌های کشف‌شده مزیت داده‌اند، چگونه عملکرد میکروارگانیسم‌ها را تغییر می‌دهند و آیا دودمان‌های مرتبط با بیماری علت این تغییرات هستند یا پیامد آنها.