В будущем, как считают ученые, будет возможно высокоточно управлять составом микробиома людей, которые находятся в тяжелом состоянии, что поможет им выжить.
«У пациентов, длительно пребывающих в реанимации, наблюдаются серьезные нарушения состава микробиома, — рассказал «Газете.Ru» Александр Тяхт, руководитель исследования, заведующий группой биоинформатики Института биологии гена РАН. – Сообщество бактерий, населяющее их кишечник, потенциально может содержать виды, которые при ослаблении иммунитета могут вызвать инфекции и повысить риск смерти. Поэтому важно изучать, какие виды есть у пациентов и какие особые гены они несут. Например, дающие устойчивость к антибиотикам или повышающие их вирулентность (способность патогена причинять вред хозяину)».
Микробное сообщество (микробиом) кишечника человека участвует в регуляции работы различных систем органов: пищеварительной, иммунной, гормональной, нервной и других. Это обеспечивается слаженным взаимодействием сотен видов микроорганизмов. Когда человек заболевает, баланс микробиома нарушается, что может вести к дальнейшему ухудшению состояния.
В исследовании приняли участие специалисты Института биологии гена РАН, МГУ им. Ломоносова, Федерального научно-клинического центра реаниматологии и реабилитологии, Центра алгоритмической биотехнологии СПбГУ, Университета ИТМО и Медико-генетического научного центра им. академика Н.П. Бочкова.
В качестве «пробного шара» были исследованы микробиомы двух тяжелобольных пациентов, пребывающих в реанимации. Из метагеномов — данных ДНК-секвенирования микробиома — были собраны несколько десятков геномов бактерий, которые были исследованы на предмет их генного состава. Среди реконструированных – геномы таких бактерий, связанных с заболеваниями у человека, как клебсиелла, энтерококки и патогенные клостридии.
«Мы показали, как метод Hi-C метагеномики позволяет на более глубоком уровне удалось изучить те бактерии, которые повышают риски летального исхода у находящегося в реанимации человека, — объясняет Тяхт. — Хотя выборка небольшая, примеры показательные – у обоих пациентов существенно обеднено кишечное сообщество, в кишечнике каждого были не сотни видов бактерий, как обычно у здорового человека, а порядка десятка.
Наш подход позволил определить набор генов у каждой из этих бактерий, в том числе более точно отнести те или иные гены к конкретной бактерии. Знание генома позволяет лучше понять, насколько конкретный микроорганизм представляет опасность для здоровья человека со сниженным иммунитетом.
Мы уверены, что дополнение обычной метагеномики технологией определения пространственной формы генома (Hi-C) позволяет ученым больше узнавать о составе и функциях микробиома как здоровых людей, так и пациентов с различными заболеваниями. В дальнейшем на основании анализа большой коллекции геномов можно создавать более дешевые, быстрые методы диагностики инфекций, которые будут применяться непосредственно в больнице».
Как отмечают ученые, глубокое исследование микробиома также позволит лучше понять механизмы возникновения и развития сахарного диабета, сердечно-сосудистых заболеваний, а также осложнений при COVID-19.
В этом исследовании российские ученые — одни из первых в мире — провели исследование с клиническим применением Hi-C метагеномики. Это особый метод, представляющий собой сочетание обычного метагеномного ДНК-секвенирования с технологией определения «трехмерного генома».
Hi-C-метагеномика позволяет исследователям получать более полные и точные геномы бактерий. С помощью новых графовых алгоритмов исследователям удалось более точно отнести к той или иной бактерии мобильные генетические элементы – фрагменты ДНК, которые часто передаются между разными видами бактерий и способствуют распространению генов лекарственной устойчивости и других важных генов между бактериями-возбудителями заболеваний.
Дальнейшее применение метода позволит не только лучше узнать геномы бактерий-возбудителей инфекций, но также лучше связать мобильные генетические элементы с бактериями, к которым они принадлежат.
Подобный атлас позволит разрабатывать прицельные методы для выявления опасных бактерий – на базе, например, таких подходов, как ПЦР в реальном времени.
Между тем ученые уже применяют метод шире для анализа других микробиомов из окружающей среды и пищевых продуктов.
«Метод Hi-C сам по себе достаточно сложный, и его обычно применяют для определения хромосомных территорий для многоклеточных. Применение его к бактериям и сложным бактериальным системам, которым являются микробиомы — довольно смелый подход, — считает руководитель лаборатории геномной инженерии МФТИ Павел Волчков. — Это можно сравнить с анализом разных клеток организма человека, — только вместо них — бактерии. Если ученые могут из такого «супа» выудить отдельные бактериальные составляющие и суметь сделать из этого анализа полезные выводы — это серьезное достижение, — отметил ученый. — В противном случае, это лишь отработка самого метода.»
Научная статья опубликована в журнале Frontiers in Microbiology. Исследование поддержано Российским научным фондом и Минобрнауки России.
По сообщению сайта Газета.ru