Undersøgelse finder mikrobiomændringer dynamisk og favoriserer vigtige værtsrelevante funktioner

Alle flercellede organismer – fra de simpleste dyre- og planteorganismer til mennesker – lever i tæt tilknytning til et væld af mikroorganismer, det såkaldte mikrobiom, som koloniserer deres væv og lever i symbiotiske forhold med værten.

Mange vitale funktioner, såsom næringsstofoptagelse, regulering af immunsystemet eller neurologiske processer, er resultatet af interaktionerne mellem værtsorganismen og mikrobielle symbionter. Det funktionelle samarbejde mellem vært og mikroorganismer, som forskerne omtaler som en metaorganisme, bliver undersøgt i detaljer på Kiel University i Collaborative Research Center (CRC) 1182 Origin and Function of Metaorganisms.

Forskere har mistanke om, at mikrobiomet kan bidrage væsentligt til en organismes miljøtilpasning og fitness som helhed. De ser én grund til dette i mikroorganismers hurtige tilpasningsevne, som kan reagere mange gange hurtigere på skiftende miljøforhold end de normalt langsommere udviklende værtsorganismer.

Hvordan mikrobiomets kolonisering og sammensætning etableres under den individuelle udvikling af værtsorganismen er genstand for aktuel forskning.

Et hold fra forskningsgruppen Evolutionary Ecology and Genetics ledet af professor Hinrich Schulenburg ved Zoologisk Institut ved Kiel Universitet har sammen med andre forskergrupper fra CRC 1182 fra forskellige fakulteter og Max Planck Institute for Evolutionary Biology i Plön nu undersøgt dynamik i mikrobiomkolonisering.

De fandt ud af, at mikrobiomet i nematodens værtsorganisme ikke har en tilfældig sammensætning over en stor periode af dens levetid, hvilket tyder på, at det mikrobielle samfund er resultatet af målrettede selektionsprocesser. Undersøgelsen er publiceret i mBio .

Denne antagelse understøttes af genomanalyse af de mikrobielle arter i ormemikrobiomet. Der blev fundet adskillige gener, som er ansvarlige for visse metaboliske funktioner, der er vigtige for værtsorganismen og også er relevante i andre organismer.

Med disse resultater viser Kiel-forskerne endnu en gang, at rundormen Caenorhabditis elegans er særdeles velegnet som informativ modelorganisme til forskning i tarmmikrobiomet.

Dynamikken i mikrobiomsammensætningen over nematodens levetid

For at studere udviklingen af ​​mikrobiomsammensætning i C. elegans over tid brugte Dr. Agnes Piecyk, en tidligere forsker i gruppen Evolutionær Økologi og Genetik, som planlagde og ledede eksperimenterne, et karakteristisk samfund af 43 forskellige bakteriearter, der er findes typisk i nematoden i naturen.

Hun introducerede dette mikrobielle samfund i tidligere bakteriefrie dyr og koloniserede dem på et dyrkningsmedium i umiddelbar nærhed af ormene og i separate petriskåle uden nogen kontakt med dyrene. Forskerne analyserede derefter, hvordan sammensætningen af ​​dette eksperimentelle mikrobielle samfund ændrede sig under forskellige forhold i løbet af omkring en uge på seks individuelle tidspunkter - hvilket svarer til den gennemsnitlige levetid for trådormene.

I løbet af forsøget blev det tydeligt, at tiden kun spillede en fremtrædende rolle i de værtsassocierede mikrobielle samfund, det vil sige bakterierne, der lever i ormene. "Deres sammensætning ændrede sig på en sådan måde, at nogle specifikke bakteriearter dukkede op hyppigere," siger Dr. Johannes Zimmermann, også forsker i Evolutionary Ecology and Genetics-arbejdsgruppen, som analyserede dataene.

For eksempel ophobes Ochrobactrum- og Enterobacter-bakterier i ormens tarm. "Denne dynamik kan ikke overbevisende forklares med stokastiske, dvs. i princippet tilfældige processer. Vi ønskede derfor at finde ud af, om der kunne være direkte processer involveret i den dynamiske ændring af ormemikrobiomet over tid," forklarer Zimmermann.

Genomanalyse indikerer valget af visse nyttige metaboliske funktioner

I næste trin analyserede forskerholdet genomerne af mikroorganismerne i ormemikrobiomet, der indeholder al den genetiske information fra bakteriesamfundene i løbet af ormenes levetid. Interessant nok fandt forskerne nogle slående ligheder mellem værtsassocierede mikrobielle samfund med gener kendt fra menneskelig mikrobiomforskning.

"Vi antager, at dette ikke skyldes tilfældigheder, men er drevet af specifikke interaktioner mellem vært og mikrobiom, der påvirker mikrobiomsammensætningen på bestemte punkter i værtens levetid.

"En meget plausibel forklaring på ophobningen af ​​visse bakteriearter i ormene i forhold til kontrolgrupperne kunne derfor være, at værten specifikt udvælger bestemte bakterier og de funktioner, der er forbundet med dem, som igen er fordelagtige for værtsorganismen," understreger Zimmermann. .

Denne hypotese understøttes yderligere af det faktum, at de gunstige mikrobielle funktioner er universelle og går ud over C. elegans, for eksempel produktionen af ​​kortkædede fedtsyrer, vitamin B12 eller andre vitale stoffer.

Modelorganisme til forskning i tarmmikrobiom

Samlet set konkluderer forskerne, at på grund af dynamikken i mikrobiomets sammensætning i løbet af ormens levetid, udviklede de tilknyttede bakteriearter visse konkurrencestrategier, og at især de arter favoriseres, som giver visse nyttige funktioner til værten. Som konklusion synes de koloniserende mikroorganismer derfor at være gavnlige for værtsorganismen generelt og dermed hjælpe den med at tilpasse sig sit miljø.

"Med vores nye arbejde giver vi vigtige konceptuelle grundlag, der udvider vores forståelse af mikrobiomets sammensætning og funktion, og hvordan værtsorganismen påvirker dens sammensætning," siger Schulenburg.

"Vores undersøgelse baseret på det eksperimentelle mikrobielle samfund viser også endnu en gang, at C. elegans giver os et værdifuldt modelsystem, som også er relevant for at forstå grundlæggende processer i det menneskelige tarmmikrobiom og deres konsekvenser for sundhed og sygdom," slutter Schulenburg.

Flere oplysninger: Johannes Zimmermann et al., Tarm-associerede funktioner favoriseres under mikrobiomsamling i en stor del af C. elegans liv, mBio (2024). DOI:10.1128/mbio.00012-24

Journaloplysninger: mBio

Leveret af Kiel University