Разнообразные кишечные микробы предотвращают колонизацию болезнетворных микроорганизмов, потребляя необходимые питательные вещества.

Исследование Оксфордского университета показало, что разнообразные сообщества резидентных кишечных бактерий коллективно защищают кишечник человека от болезнетворных микроорганизмов, потребляя питательные вещества, в которых нуждается патоген, чтобы он мог закрепиться в организме хозяина.

Команда использовала экологический подход для изучения того, как колонизируются два основных бактериальных патогена:Клебсиелла пневмонии И Сальмонелла энтерика Серовар Тифимуриум (англ.С. тифимуриум) — На него влияет группа кишечных бактерий человека как in vitro, так и у живых мышей. Они обнаружили, что разнообразие микробиома в окружающей среде важно для устойчивости к колонизации. Хотя отдельные виды кишечной микробиоты сами по себе оказывают минимальное влияние на обеспечение эффективной устойчивости к патогенам, определенные комбинации ключевых видов в различных сообществах демонстрируют гораздо большую устойчивость к колонизации, когда они вместе.

Обнаружив, что эти сообщества подавляют рост патогенов, потребляя питательные вещества, которые могут потребоваться патогену, команда также показала, что концепция блокировки питательных веществ может быть использована для прогнозирования, какие конкретные группы комменсальных микроорганизмов будут сопротивляться новым бактериальным патогенам, используя секвенирование генома. Данные одни.

Их совокупные результаты подчеркивают важность разнообразия микробиома для здоровья человека и могут указывать на разработку новых стратегий улучшения здоровья кишечника и рационального создания устойчивых к патогенам сообществ микробиома. Руководитель исследования Кевин Фостер, доктор философии, с кафедры биологии и биохимии Оксфордского университета, и его коллеги сообщили о своих выводах в Наукив статье под названием «Разнообразие микробиома защищает от патогенов, блокируя питательные вещества.«.

Кишечник человека является домом для разнообразного сообщества комменсальных видов бактерий, известных под общим названием кишечная микробиота. Одним из основных преимуществ для здоровья, которые обеспечивают эти сообщества, является защита кишечника от проникновения патогенов (болезнетворных микроорганизмов), которые могут вызвать опасные инфекции. «Одним из основных преимуществ для здоровья, обеспечиваемых кишечной микробиотой, является защита от колонизации патогенами и последующей инфекции; явление, известное как колонизационная устойчивость», — отметили команда.

Однако, хотя важность микробиоты для колонизационной резистентности хорошо известна, микробиом представляет собой чрезвычайно разнообразную и сложную экосистему, и эта сложность делает понимание видов бактерий и взаимодействий, которые приводят к колонизационной резистентности к патогенам, настоящей проблемой. До сих пор не было ясно, как возникает защитный эффект и играют ли некоторые виды бактерий более важную роль, чем другие. Исследователи продолжили: «…Хотя важность микроорганизмов в устойчивости к колонизации очевидна, в настоящее время нам не хватает принципов, необходимых для априорного прогнозирования того, какие типы микроорганизмов будут эффективны против конкретного патогена». «Компонентные виды также могут влиять друг на друга и экологически взаимодействовать способами, которые имеют решающее значение для устойчивости к колонизации. Такое сочетание видового разнообразия и потенциала экологических взаимодействий делает устойчивость к колонизации фенотипом, который трудно понять».

Для дальнейшего изучения того, как микробиота кишечника защищает от микробных патогенов, исследователи из Оксфордского университета протестировали 100 различных штаммов кишечных бактерий индивидуально и в сочетании на их способность снижать рост двух вредных бактериальных патогенов. Клебсиелла пневмонии И Сальмонелла энтерика. Результаты показали, что, хотя отдельные кишечные бактерии демонстрировали очень слабую способность ограничивать распространение какого-либо одного патогена, при совместном культивировании сообществ, состоящих из до 50 видов, патогены росли в 1000 раз менее эффективно, чем когда их культивировали с любой отдельной особью. разновидность.

Этот «эффект защиты сообщества» наблюдался независимо от того, культивировались ли бактерии вместе в колбах или у «безмикробных» мышей, у которых не было резидентных кишечных бактерий в начале экспериментов. «Эти результаты ясно показывают, что устойчивость к колонизации является коллективным свойством сообществ микробиома», — сказал Фостер. «Другими словами, один штамм является защитным только тогда, когда он взаимодействует с другими штаммами».

Однако исследователи обнаружили, что решающее влияние на уровень защиты оказывают конкретные члены бактериальных сообществ, а не только общее разнообразие. Было обнаружено, что некоторые типы микробиома необходимы для защиты сообщества, хотя сами по себе эти типы мало защищают.

Исследователи продемонстрировали, что защитные бактериальные сообщества предотвращают рост патогенов, потребляя питательные вещества, необходимые патогенам. Как они написали в своем отчете: «Несмотря на эту сложность, мы обнаруживаем, что эти экологические закономерности объясняются простым базовым принципом: коллективной способностью определенных сообществ потреблять питательные вещества и предотвращать рост патогенов… Эффект блокировки питательных веществ заключается в следующем: Это свойство всего сообщества, а не какого-либо одного вида. Устойчивость к колонизации — это черта на уровне сообщества, которая объясняет важность экологического разнообразия и сложности, которые мы наблюдали в наших экспериментах.

Оценивая геномы различных видов бактерий, ученые дополнительно обнаружили, что наиболее защищенные сообщества состоят из видов, белковый состав которых очень похож на виды, вызывающие заболевания. «Наш геномный анализ показывает, что сообщества со значительным совпадением с патогенами в скрытых функциях обеспечивают лучшую устойчивость к колонизации», — прокомментировали они.

Метаболическое профилирование показало, что охраняемые виды также имеют те же потребности в источниках углерода, что и патогены. «Колонизационная устойчивость наблюдалась только тогда, когда сообщества имели достаточно высокий уровень совпадения профиля использования источников углерода с патогенами», — продолжила команда. «Кроме того, сообщества с наибольшим метаболическим совпадением с патогеном продемонстрировали наибольшую устойчивость к колонизации».

Первый автор Фрэнсис Спрэг с факультетов биологии и биохимии Оксфордского университета прокомментировал: «Важно, хотя увеличение разнообразия микробиома увеличивает вероятность защиты от этих патогенов, ключевым моментом является совпадение профилей использования питательных веществ между сообществом и патогеном. Некоторые виды, играющие решающую роль в защите сообщества, демонстрируют высокую степень метаболического совпадения с патогеном и, следовательно, требуют сходных питательных веществ.

Исследователи использовали этот принцип блокировки питательных веществ, чтобы предсказать, какие бактериальные сообщества будут обеспечивать слабую и сильную защиту от устойчивости к противомикробным препаратам (AMR). бактерии кишечной палочки Мне грустно. Экспериментально проверено, что сообщества с самым высоким содержанием питательных веществ перекрываются с… бактерии кишечной палочки Штамм оказался в 100 раз более эффективным в снижении численности патогенов, чем ожидалось, что сообщества обеспечат слабую защиту. «Мы применили наши результаты, чтобы успешно предсказать, какие популяции устойчивы к новому целевому штамму», — написали они.

По мнению исследователей, эти новые идеи могут быть преобразованы в новые стратегии борьбы с вредными патогенами в кишечнике путем улучшения микробиомных сообществ кишечника. Результаты могут также объяснить, почему люди могут стать более восприимчивыми к таким типам, как К. пневмония После приема антибиотиков, которые могут уменьшить разнообразие видов кишечных микробов.