Nye high-throughput sekventeringsteknologier afslører en verden af ​​interagerende mikroorganismer

Din krop vrimler med dem - 100 billioner mikrober i din tarm, lunger, mund, og hud. Dit hjem myldrer med dem - i toiletter og håndvaske, på borde og stole, i gulvtæppet, og på din hund. Selv jorden, du står på, bugner af utallige bakterier, svampe, protozoer, alger, og vira - alle mikroskopiske, alle en del af et samfund af organismer, der interagerer med hinanden og miljøet. Disse samfund og de miljøer, de interagerer med, er kendt som "mikrobiomer, "og vores voksende forståelse af dem ændrer den måde, vi behandler sygdomme på, dyrke afgrøder, og skabe hverdagsprodukter.

Det ændrer vores syn på naturen.

Forskere ved Penn State og i College of Agricultural Sciences er på forkant med forskning i mikrobiomer. De undersøger menneskers og dyrs tarme for at lære, hvordan mikroorganismer påvirker sundheden, og de udforsker jorden for at afdække, hvordan mikrober gavner afgrøder. Gennem dette arbejde opnår forskerne en forståelse for kompleksiteten af ​​mikrobielt liv på Jorden. Og de udforsker også de potentielle fordele og udfordringer, som disse væsner præsenterer.

Den menneskelige rejse ind i det mikroskopiske rige begyndte i 1657, da Antoni van Leeuwenhoek, en draper, der bor i Delft, Holland, afslørede, at han havde opdaget, ved at se gennem sit selvskabte simple mikroskop, små "dyr" der lever i søvand.

I et brev til det nyoprettede Royal Society of London, van Leeuwenhoek skrev, at disse dyr var "så små, i mine øjne, at jeg vurderede, at selvom 100 af disse meget små dyr lå strakt ud mod hinanden, de kunne ikke nå længden af ​​et korn groft sand.. . det var vidunderligt at se."

Van Leeuwenhoeks opdagelse af mikroorganismer udgjorde et hidtil uset skift i menneskets forståelse af den naturlige verden. Lige pludselig, Livet på Jorden blev på én gang betydeligt mere komplekst og overordentlig vidunderligt. Og stadigvæk, mere end 350 år senere, vi forbliver i mørke om, hvem mange af disse skabninger er, og hvad de laver.

"Afhængig af hvem du taler med, vi ved måske ikke noget om 99 procent af mikroorganismerne i miljøet, " siger Carolee Bull, professor og leder af Institut for Plantepatologi og Miljømikrobiologi. Men, tilføjer hun, meget ligesom skiftet, der skete efter van Leeuwenhoek opdagede mikrober, en moderne videnskabelig revolution lover at afsløre identiteten og aktiviteterne i de samfund af mikroorganismer, der har så stor indflydelse på vores liv.

Denne gang, værktøjet, der gør det hele muligt, er high-throughput sekventering – også kendt som næste generations sekventering. Først tilgængelig i år 2000 og kun meget brugt siden det sidste årti, teknologien kan bestemme rækkefølgen af ​​nukleotider - As, Ts, Gs, og Cs - for hundredtusindvis af DNA-molekyler fra utallige arter samtidigt. Teknologien gør det muligt at lære identiteten af ​​hver art til stede i en lille prøve af, for eksempel, damvand. Simpel DNA-sekventering, på den anden side, er meget mere begrænset i sine evner.

"Begrebet mikrobiomer er ikke specielt nyt, " siger Bull. "Men med high-throughput sekventering, mikrobiologiens sorte boks bliver endelig oplyst, " siger Bull. "Det viser os, at mikrober ikke arbejder alene i et vakuum. I stedet, de er en del af et fællesskab, hvor miljøet, andre organismer, og mikrober påvirker og reagerer på hinanden."

Beskyttelse af vandkvalitet og genopretning af jord

Jordmikrobiom er et kompliceret studieemne. En teskefuld jord indeholder sandsynligvis en milliard individuelle bakterieceller, måske 500,- 000 svampefragmenter, tusindvis af protozoer, og hvem ved hvor mange vira, siger Mary Ann Bruns, lektor i økosystemvidenskab og -ledelse. Og af bakterierne alene, tilføjer hun, der kan eksistere 10, 000 til 20, 000 forskellige arter.

Bruns bruger high-throughput sekventering, blandt andre værktøjer, at drille denne "DNA-suppe fra hinanden, "som hun kalder det, der er indeholdt i jorden. Hendes forskning i kvælstofkredsløbende mikrober på feltskalaen passer ind i det større billede af reduktion af næringsstoftransport til kystnære døde zoner. "Samlet set, halvdelen af ​​kvælstoffet i gødningen, der tilføres afgrøder, optages ikke af afgrøderne, " siger hun. "I stedet udvaskes det til grundvandet eller løber af i sediment. Meget af det nitrogen kommer til sidst ind i Den Mexicanske Golf og Chesapeake Bay, hvor det forstyrrer økosystemerne. Jeg er interesseret i, hvordan vi kan stoppe denne proces ved kilden, hvordan vi kan gøre vores nitrogenpåføring og håndteringsmetoder mindre spild."

Nøglen, hun siger, ligger i at finde kvælstofbevarende plante-jord mikrobielle samfund, fordi de er ansvarlige for meget af næringsstofkredsløbet i jorden. For eksempel, mikrober omdanner ammonium til nitrat, som er den lettest tabte form for nitrogen. "Visse mikrober er ansvarlige for mange af de biokemiske reaktioner i jorden, der resulterer i dårlig effektivitet, " siger Bruns. "I traditionelt landbrug, vi har imødegået dette problem med kvælstoftab ved at tilføje et forsikringsbeløb. Det er billigere og nemmere at tilføje mere i stedet for at prøve at finde ud af, hvordan man forhindrer tab i første omgang."

Den gode nyhed er, at mens nogle mikrober fremmer tabet af nitrogen fra jorden, andre arter er i stand til at fiksere nitrogen fra atmosfæren og holde det på plads. Ved at bruge high-throughput sekventering, Bruns og en af ​​hendes kandidatstuderende karakteriserede en blanding af to tæt beslægtede stammer af cyanobakterier og flere arter af ikke-fotosyntetiske bakterier, der hurtigt danner biofilm på jord for at reducere erosion og afstrømning. Dette "konsortium, " hun siger, kunne tilsættes til landbrugsjord for at fiksere kulstof og nitrogen og hjælpe næringsstoffer med at blive på plads, reducerer således behovet for yderligere anvendelser af nitrogen og beskytter nedstrøms miljøer mod nitrogenforurening.

Bruns siger, at hun gerne ser, at virksomheder interesserer sig for sådanne produkter og udvikler dem til landbrugsbrug. For eksempel, sådanne mikrobielle produkter kunne anvendes, sammen med ændringer, at genvinde beskadiget jord, et andet område, hvor mikrobiomforskning giver indsigt. Bruns og postdoc-medarbejder Claudia Rojas brugte næste generations sekvensering til at vise stigninger i gavnlige mykorrhizasvampe og rhizobia i genopbygget mineland efter tilsætning af moderate mængder kompost og kalk.

Terrence Bell, assisterende professor i plantepatologi og miljømikrobiologi, er også interesseret i at skabe mikrobielle konsortier, der kan tilføjes til jord for at forbedre deres funktion. Han har fokuseret på at genoprette jord, der har mistet deres mikrobielle aktivitet på grund af overforbrug af gødning og kemikalier. "Nogle landbrugsjord er udtømt for de essentielle mikroorganismer, der er nødvendige for afgrødevækst, fordi de er blevet behandlet med kemisk gødning i så lang tid, " han siger.

Gennem eksperimentelle undersøgelser, Bell og en af ​​hans bachelorstuderende har vist, at dette er tilfældet. De anvendte forskellige typer af næringsstofændringer på jord og fandt ud af, at jord udsat for store mængder kemisk fosfor oplevede ændringer i sammensætningen af ​​mikrobiomet, herunder en reduktion i mikrobiel diversitet, hvilket så ud til at påvirke væksten af ​​afgrøder.

"Vores næste skridt er at finde ud af, om vi kan modvirke dette problem ved at genindføre mikrobiel diversitet til disse miljøer, " siger Bell.

Ligesom med Bruns' forskning, opgaven kræver brug af de nyeste sekventeringsteknikker. "Det kommer virkelig ned på de tilgængelige værktøjer, og det faktum, at det stadig kun er mindre end et årti siden, high-throughput-sekventering er blevet meget brugt i vores felt, " siger Bell. Med disse teknologier, "Vi sætter fokus på funktioner, " tilføjer Bruns. "De fleste organismer er ikke patogene eller sygdomsfremkaldende, de er der bare og venter på, at de rigtige forhold bliver aktive. Vores mål er at forstå det og bruge viden til vores fordel."

Tarmkontrol

Miljøet i den menneskelige tarm omfatter snesevis af billioner af individuelle mikroorganismer, tilsammen vejer næsten 4,5 pund. Mange af disse mikrober er involveret i at reducere risikoen for kræft, depression, fedme, og endda autisme. Faktisk, "good" bacteria are becoming so popular for their positive health effects that the newly emerging probiotic industry netted more than $35 billion in profits in 2015. But some species are linked to problems.

Consider obesity. In the United States alone, 34 percent of adults and 15 to 20 percent of children and adolescents are obese. I de seneste år, researchers and clinicians have been turning to the gut microbiome to try to better understand this problem. Fecal matter is 50 percent bacteria. Microorganisms must be playing an important metabolic role.

Andrew Patterson, associate professor of veterinary and biomedical sciences, has learned a great deal about how bacteria influence obesity and the metabolic diseases associated with obesity, namely type II diabetes and non-alcoholic fatty liver disease. For eksempel, in his studies, he has noticed that mice given tempol, a drug typically used to protect cells against radiation damage, weigh significantly less than mice not given the drug. To investigate further, he and his team designed an experiment in which they fed mice a high-fat diet and gave them the drug tempol. They found that these mice gained significantly less weight than mice that were fed a high-fat diet but were not given tempol.

Patterson determined that the tempol was likely reducing the amounts of Lactobacillus and Clostridium bacteria in the mice guts. And when these bacteria decreased, a specific bile acid—known as tauro-beta muricholic acid—increased. "For some reason the bacteria metabolize bile acids either as a protective mechanism, or as a way of scavenging off nutrients for growth, " han siger.

Secreted from the liver into the intestine, bile acids are responsible for digesting dietary fats and oils. "If you have a disorder in these types of processes then you have a really hard time digesting fat, " says Patterson.

To determine what was going on between the Lactobacillus and bile acids, Patterson turned to metabolomics—the study of the chemical fingerprints that are left behind after cellular processes take place. He learned that when the bile acid tauro-beta muricholic acid increases, it turns off the farnesoid X receptor (FXR), which is responsible for regulating the metabolism of bile acids, fedtstoffer, and glucose in the body. "FXR is there to say, 'Hey, there's enough bile acid in the intestine, shut off synthesis in the liver, or there's not enough bile acid so synthesis needs to be turned on, '" says Patterson.

The revelation about FXR's involvement led Patterson and his colleagues at the Hershey Medical Center and the National Cancer Institute to design their own anti-obesity drug that specifically targets FXR. In less than two years, they created a pill, modeled after tauro-beta muricholic acid but made from glycine-beta muricholic acid, that caused mice to gain significantly less weight and have less insulin resistance when fed a high-fat diet than mice in the untreated control group.

Patterson received a RAIN grant from the college to help commercialize his product. He also formed a company, called Heliome Biotech, Inc., to commercialize the drug, along with any others that may arise. But Patterson cautions that although his drug has the potential to help patients, it isn't a cure-all. "I don't think this is going to be the magic pill that allows you to eat a tub of ice cream every day and not see any metabolic problems later in life, " he says. "You have to adopt a healthy lifestyle as well."

Lactobacillusisn't the only bacteria with strains that can cause problems.E. coli, too, which is common and generally benign throughout the human gut, includes at least one very dangerous strain—O157:H7. This bacterium enters the body through contaminated foods.

"One of the things that makes O157:H7 so terrible is when it gets in your intestines it produces a powerful toxin called Shiga toxin that is responsible for a lot of the serious symptoms of disease, from mild diarrhea to severe kidney damage, " says Edward Dudley, associate professor of food science. "The question is what's the difference between the people who only get diarrhea and those who get terribly sick?"

Dudley believes our gut microbiomes might hold the key to this question. "Could it be that different microorganisms in our gut—what I carry versus what you carry—could cause our reactions to O157:H7 to be different? After all, when O157:H7 enters our intestines, it's not existing there by itself; it's interacting with hundreds of microorganisms that are found in our gut. We are asking whether any of these organisms that O157:H7 finds itself setting up shop with do anything that may either increase or decrease the amount of toxin that the organism produces."

Those suspicions were confirmed when Chun Chen, en tidligere ph.d. student of Dudley's, grew O157:H7 in the laboratory together with a variety of strains of common gut E. coli. "When grown together with O157:H7 some of them dramatically increase the amount of toxin that O157:H7 produces, suggesting what E. coli strains are in your intestines might actually play a role in dictating the course of the disease, " says Dudley.

Another one of Dudley's former students, Kakolie Goswami, along with a colleague from the University of Michigan, repeated the experiment using sterile mice that contained no bacteria. They inoculated those mice with O157:H7 and also with a nonpathogenic strain of E. coli that he'd previously shown in the laboratory to amplify Shiga toxin. They found the same result:the mice with the O157:H7 and the other strain of E. coli did worse than the mice with only O157:H7.

According to Dudley, antibiotics can't be used to treat O157:H7 the way they can with other bacteria. Faktisk, antibiotics actually increase the amount of Shiga toxin that the pathogen produces. As a result, doctors simply monitor patients and treat their symptoms. "By knowing which E. coli strains a patient carries, doctors could predict the course of the disease in patients and be prepared with various treatments, " says Dudley. He adds that it also may be possible to use certain strains of E. coli as a probiotic that patients could ingest that would block the ability of O157:H7 to produce large quantities of toxin.

"I årtier, we studied various bacteria growing as pure cultures in the lab, when in reality, whether it's human health or in the soils or oceans, no bacteria, except a very tiny number of them, exist by themselves, " says Dudley. "They are always in a community of other organisms. Now we're really beginning to pick apart just how an organism of interest behaves differently when it's in the presence of other organisms. There is much to learn."

Ja, microbiome research is an open book with the potential to transform our lives. "We know now that microbiomes are driving more than we ever thought, " says Bull. "There is a wealth of information that we have only just begun to tap."

Bull notes that it's important for public institutions, like Penn State, to be involved in this type of research. "As a land-grant institution, Penn State is mandated to create knowledge for the greater good, " she says. "For example, if you talk to a farmer, he or she will tell you, 'This is my best soil; anything I grow here will be fine, ' but a hundred yards away, he or she might say, 'This is not a great spot, '" says Bull. "Farmers know the difference because they've seen the yields, but they do not know why one spot is great for their crops and the other is not. It's our job as scientists to do the research and give them the answer for that."