Ljudski mikrobiom kreiran u labu od 119 vrsta bakterija

Znanstvenici sa Sveučilišta Stanford uspješno su kreirali prvi ljudski mikrobiom u laboratoriju kombinirajući 119 bakterijskih vrsta pronađenih u ljudskom tijelu za što vjeruju da bi mogli dovesti do liječenja po život opasnih crijevnih infekcija.

Mikrobiomi crijeva sastoje se od stotina bakterijskih vrsta koje žive u ljudskom probavnom sustavu i igraju glavnu ulogu u ljudskom zdravlju podupirući imunološki sustav i kontrolirajući probavu. Sintetski mikrobiom presađen je u miševe, gdje se umnožio, zaštitio životinju od E. coli i potaknuo razvoj zdravog imunološkog sustava.

Istraživači kažu da sada mogu promatrati svaki mikrob pojedinačno kako bi otkrili njegovu ulogu, omogućujući liječnicima da miješaju koktele mikroba kako bi osmislili prilagođene tretmane za različite infekcije.

Znanstvenici kažu da su odlučili izgraditi svoju koloniju od najrasprostranjenijih bakterija i obratili su se Projektu ljudskog mikrobioma (HMP), inicijativi Nacionalnog instituta za zdravlje za sekvenciranje punih genoma mikroba više od 300 odraslih osoba.

"Tražili smo Noinu arku bakterijskih vrsta u ljudskim crijevima, pokušavajući pronaći one koje su gotovo uvijek bile tamo u bilo kojem pojedincu", rekao je Michael Fischbach, istraživač Instituta Sarafan ChEM-H i jedan od glavnih autora studije objavljene u časopisu Cell.

Odabrali su preko 100 bakterijskih sojeva koji su bili prisutni u najmanje 20% osoba. Dodavanje nekoliko vrsta potrebnih za neka naknadna istraživanja dovelo ih je do 104 vrste, koje su uzgajali u pojedinačnim zalihama i zatim pomiješali u jednu kombiniranu kulturu kako bi napravili ono što nazivaju ljudskom zajednicom, ili hCom1.

Iako su bili zadovoljni činjenicom da sojevi mogu koegzistirati u laboratoriju, pravi je test bio hoće li se njihova nova kolonija ukorijeniti u crijevima. Ugradili su hCom1 miševima koji su pažljivo dizajnirani da u njima nema prisutnih bakterija. hCom1 bio je nevjerojatno stabilan, s 98% sastavnih vrsta koje su kolonizirale crijeva tih miševa bez klica, a relativna brojnost svake vrste ostala je konstantna tijekom dva mjeseca.

Kako bi svoju koloniju učinili potpunijom, istraživači su željeli osigurati da sve vitalne funkcije mikrobioma obavlja jedna ili više vrsta. Oslanjali su se na teoriju zvanu "otpornost na kolonizaciju", koja objašnjava da će svaka bakterija, kada se unese u postojeću koloniju, preživjeti samo ako može popuniti nišu koja još nije zauzeta.

Uvođenjem cjelovitog mikrobioma, u obliku ljudskog fekalnog uzorka i praćenjem svih novih vrsta koje su se nastanile, mogli bi izgraditi cjelovitiju zajednicu.

Pronašli su više od 20 novih bakterijskih vrsta koje su se uključile u najmanje dvije od njihove tri studije transplantacije izmeta. Dodavanje njih u početnu zajednicu i uklanjanje onih koji se nisu uspjeli ukorijeniti u mišjim crijevima dalo im je novu zajednicu od 119 sojeva, nazvanu hCom2. Ova druga iteracija, još uvijek napravljena od pojedinačnog uzgoja i potom miješanja sastojaka, učinila je miševe još otpornijima na fekalne izazove od prve.

Kako bi demonstrirali korisnost sintetskog mikrobioma, tim je uzeo miševe kolonizirane hCom2 i izazvao ih uzorkom E. coli. Ovi miševi, poput onih koji su bili kolonizirani prirodnim mikrobiomom, odupirali su se infekciji.

Prethodne studije pokazale su da zdrav prirodni mikrobiom vodi zaštiti, ali Fischbach i kolege mogli bi to učiniti korak dalje iterativnom eliminacijom ili modificiranjem određenih sojeva kako bi se utvrdilo koji konkretno pružaju zaštitu. Pronašli su nekoliko ključnih bakterija i planiraju provesti daljnja istraživanja kako bi se suzili na najkritičnije vrste.

Fischbach vjeruje da će hCom2, ili njegove buduće verzije, omogućiti slične redukcionističke studije koje otkrivaju bakterijske agense uključene u druga područja, poput odgovora imunoterapije.

Fischbach predviđa da će ova metoda izgradnje mikrobioma iz temelja, u budućnosti omogućiti projektirane terapije temeljene na mikrobiomima. Stanford Microbiome Therapies Initiative (MITI), inicijativa koju su 2019. pokrenuli Sarafan ChEM-H i Odjel za bioinženjering, ima za cilj izgraditi projektirane zajednice koje bi se jednog dana mogle presaditi u ljude za liječenje ili prevenciju raznih bolesti.