Spojrzenie z bliska na życie drobnoustrojów
Każde zwierzę jest postrzegane jako osobny ekosystem, skolonizowany przez mikrobiom występujący w narządach takich jak skóra i jelita. Razem z organizmem gospodarza te społeczności drobnoustrojów tworzą całość nazywaną przez naukowców holobiomem. Zrozumienie interakcji między tymi komensalnymi mikroorganizmami i gospodarzem ma kluczowe znaczenie dla zdrowia i dobrostanu zwierząt oraz ich hodowli. Tradycyjne metody badania interakcji między żywicielem a mikrobiomem koncentrują się na identyfikacji drobnoustrojów, ale pomijają istotny parametr: dokładną lokalizację mikrobiomu w organizmie żywiciela, jego bliskość do składników odżywczych i konkurentów. Te wszystkie czynniki mogą poważnie wpływać na zachowanie i interakcje drobnoustrojów. Dlatego ważne jest odkrycie kontekstu przestrzennego bakterii i biomolekuł w tkankach.
Integracja technologii omicznych
Aby zrozumieć, w jaki sposób drobnoustroje wchodzą w interakcje między sobą i z gospodarzem, w ramach finansowanego ze środków UE projektu 3D-omics(odnośnik otworzy się w nowym oknie) postanowiono wykorzystać kombinację podejść omicznych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), czyli narzędzi służących do analizy genów, białek i substancji chemicznych w organizmie. Zespół zmapował te informacje w 3D, aby zobaczyć nie tylko, co się dzieje w jelitach, ale także dokładnie w którym miejscu. Jak wyjaśnia Antton Alberdi, koordynator projektu: „Integrując wiele danych omicznych pochodzących od gospodarza i drobnoustrojów, możemy wyjść poza zwykłe katalogowanie obecnych tam organizmów i spróbować zrozumieć, co każdy z nich robi i jak wchodzą w interakcje”. Naukowcy, przyglądając się temu, które geny są aktywne, które białka syntezowane i które małe cząsteczki obecne, mogą uzyskać informacje na temat tego, jak drobnoustroje i gospodarz wpływają na siebie nawzajem. Gdy te warstwy informacji zostaną połączone, można uzyskać wyraźniejsze wyobrażenie tego, jak wspomniane relacje wpływają na zdrowie zwierząt.
Analiza mikroorganizmów w 3D
Każdy rodzaj analizy omicznej wymaga specyficznych protokołów przygotowania i przetwarzania próbek, co utrudnia łączenie wyników. Ponadto w wielu referencyjnych bazach danych często brakuje istotnych informacji na temat funkcji genów u drobnoustrojów. Sprawę jeszcze bardziej komplikuje fakt, że organizmy gospodarza i drobnoustroje są inaczej regulowane, a metabolity mikroorganizmów mogą wpływać na części ciała znacznie oddalone od miejsca ich wytworzenia. Rozwiązanie tych problemów ma przynieść nowa metoda o nazwie metagenomika przestrzenna w mikroskali (MSSM, ang. microscale spatial metagenomics) opracowana w ramach pionierskich badań konsorcjum. W odróżnieniu od konwencjonalnej omiki, która wymaga dużych ilość materiału i ignoruje struktury 3D, MSSM pozwala zidentyfikować występowanie mikroorganizmów, genów i funkcji z rozdzielczością siatki wynosząca 25 mikrometrów. Dzięki temu naukowcy będą dokładnie wiedzieć, które szczepy są związane z gatunkami probiotycznymi i jak pozycjonują się patogeny, takie jako Salmonella, w pobliżu tkanek gospodarza.
Od map mikrobiomu do użytecznych informacji
Zespół projektu 3D-omics zastosował platformę MSSM do poprawy hodowli i chowu zwierząt, odkrywając, w jaki sposób określone szczepy oddziałują z rodzimymi drobnoustrojami w jelitach i gdzie następuje kolonizacja. Te informacje w trzech wymiarach pozwalają badaczom dokładnie wskazać, jak drobnoustroje gromadzą się wokół określonych składników odżywczych, takich jak błonnik, dodawanych do paszy, aby wspomagać metabolizm i funkcje odpornościowe. MSSM dostarcza informacji o tym, gdzie zachodzi degradacja błonnika i które mikroby współpracują ze sobą, co umożliwi zaprojektowanie konkretnych mieszanek błonnika i suplementów skuteczniej wspomagających korzystne ekosystemy jelitowe. Jak podkreśla Alberdi: „Nasza technologia analizy mikrobiomu w skali mikro może być stosowana w każdym złożonym ekosystemie mikrobiologicznym”. Zespół rozszerza teraz swoje badania na zdrowie ludzi, aby przewidzieć, które społeczności drobnoustrojów będą się rozwijać przy określonej diecie lub terapii. W przyszłości podejście projektu 3D-omics może pomóc w dostosowaniu terapii probiotycznych do poszczególnych pacjentów lub ras zwierząt gospodarskich poprzez uwzględnienie specyficznych struktur przestrzennych ich mikrobiomu jelitowego.
