Dołącz do czytelników
Brak wyników

Zapobieganie chorobom

31 sierpnia 2021

NR 4 (Sierpień 2021)

Badania mikrobioty jelitowej z wykorzystaniem sekwencjonowania nanoporowego

18

Mikrobiota jelitowa to zbiorowisko mikroorganizmów zamieszkujących jelita, składające się głównie z bakterii i mające wpływ na wiele aspektów zdrowia człowieka. Pojawiające się publikacje naukowe jasno sugerują, że wpływ mikroorganizmów zasiedlających ciało człowieka jest istotny, a w wielu przypadkach kluczowy dla zapewnienia homeostazy i prawidłowego funkcjonowania organizmu. Poza tym, w przeciwieństwie do genów, na mikrobiotę jelitową można do pewnego stopnia wpłynąć poprzez zmianę długofalowego stylu odżywiania lub probiotykoterapię. 

Rola i kształtowanie się mikrobioty jelitowej

Poszczególne bakterie zaczynają kolonizować jelita w kontakcie ze środowiskiem zewnętrznym po narodzinach. Zwykle pierwsze bakterie pochodzą z kontaktu z drogami rodnymi oraz skórą matki, a kolejne pojawiające się bakterie będą ściśle związane ze środowiskiem, w jakim dorasta dziecko oraz oczywiście jego dietą. Badania naukowe wielokrotnie wykazywały, że członkowie danej rodziny, społeczności czy nawet wspólnego pochodzenia etnicznego [1] lub zamieszkujące ten sam region geograficzny [2] mają podobny zestaw bakterii, chociaż różnice pomiędzy osobami są duże. Każdy mikrobiom jest unikalny, przez co wciąż nie wyszczególniono ani minimalnego składu mikrobioty koniecznego do zachowania zdrowia, ani pełnej listy gatunków zamieszkujących nasze jelita [3]. 

POLECAMY

Przypuszcza się, że proces kształtowania się mikrobioty jelitowej trwa do ok. 2.–3. r.ż. [4]. Później jej skład jest raczej stabilny i nowym bakteriom nie jest łatwo trwale osiedlić się w jelitach, co jest ewolucyjnym zabezpieczeniem przed bakteriami patogennymi. Skład mikrobioty, a zwłaszcza liczność poszczególnych mikroorganizmów, podlega jednak pewnym wahaniom w zależności np. od spożywanych produktów [5, 6] czy przyjmowanych leków (szczególnie antybiotyków).

Badania naukowe sugerują, że proces kolonizacji układu pokarmowego w XX w. został znacznie zaburzony [7] np. za sprawą zwiększonej higieny lub współczesnej diety bogatej w nasycone kwasy tłuszczowe i wysokoprzetworzone produkty. Kraje rozwinięte posiadające wysokie standardy higieny mają najniższy współczynnik umieralności wśród noworodków, ale też najwyższy współczynnik alergii i chorób o podłożu autoimmunologicznym [8]. 

Sekwencjonowanie całogenomowe gwarantuje wysoką rozdzielczość klasyfikacji taksonomicznej, umożliwiając identyfikację większej liczby gatunków bakterii niż w przypadku sekwencjonowania 16S rRNA.

Innymi słowy, sterylne warunki pozwalają przeżyć większej liczbie noworodków, ale brak kontaktu z pewnymi pożądanymi bakteriami powoduje zaburzenia w rozwoju układu immunologicznego, prowadząc do alergii czy chorób takich, jak cukrzyca, otyłość, astma, nieswoiste zapalenie jelita bądź łuszczyca, a nawet depresja [9]. Mechanizm wpływu bakterii jelitowych na mózg nazywany często osią jelita – mózg (gut-brain axis) lub osią mikrobiom – jelita – mózg nie jest do końca poznany, ale wśród głównych hipotez znajduje się udział nerwu błędnego łączącego jelita z mózgiem [10] oraz produkcja przez bakterie neuroprzekaźników [11].

Badanie składu mikrobioty za pomocą sekwencjonowania

Badanie mikrobioty jelitowej bezpośrednio z poszczególnych części jelit jest trudną i inwazyjną metodą. Na szczęście wraz z treścią pokarmową część bakterii żyjących w jelitach przemieszcza się 
w dół jelit i jest wydalana w kale. Dzięki temu możliwe jest całkowicie nieinwazyjne badanie mikrobioty jelitowej, polegające jedynie na pobraniu próbki kału i zbadaniu jej składu gatunkowego pod względem jakościowym (obecne gatunki), a najlepiej również ilościowym (jak dużą część mikrobioty stanowi dany gatunek). 

Ogromny rozwój badań nad mikrobiotą jelitową był poprzedzony rozwojem technik sekwencjonowania wysokoprzepustowego. Masowe sekwencjonowanie krótkich fragmentów DNA pozwoliło na poznanie genomów bakterii, które do tej pory były nieuchwytne z powodu problemów z ich hodowlą w laboratorium, np. genomów bakterii beztlenowych, a takie właśnie bakterie przeważają w naszym układzie pokarmowym. 

Choć terminy „mikrobiota” i „mikrobiom” często są używane zamiennie, to nazwa „mikrobiota jelitowa” odnosi się do zbiorowiska mikroorganizmów, które zamieszkują przewód pokarmowy, natomiast mikrobiom to zbiór genomów tych mikroorganizmów. To właśnie mikrobiom jest zwykle przedmiotem badań z wykorzystaniem sekwencjonowania DNA i niesie za sobą kompleksowe informacje o możliwych funkcjach pełnionych 
przez bakterie.

Nowe podejście do badania genów bakterii jelitowych

W dotychczasowych analizach mikrobiomu jelitowego najczęściej wykorzystywane były, i wciąż w wielu miejscach są, metody oparte na analizie sekwencji podjednostki 16S genu kodującego rybosomalne RNA (rRNA). Jest to gen obecny w każdej bakterii oraz silnie konserwowany (zachowany w toku ewolucji), zachowujący jednak wystarczającą zmienność, aby umożliwić rozróżnienie wielu gatunków bakterii. Niestety, wiele blisko spokrewnionych gatunków jest niemożliwych do rozróżnienia za pomocą metody sekwencjonowania 16S, dlatego takie badanie jest miarodajne jedynie na wyższych poziomach taksonomicznych, takich jak rodzina czy rodzaj [12].

Biotechnologiczna spółka genXone przygotowuje się do uruchomienia w 2021 r. sprzedaży badań NANOBIOME, czyli właśnie analiz opisujących skład mikrobioty jelitowej. W ramach badań NANOBIOME wykorzystywane są metody sekwencjonowania całogenomowego. Oznacza to, że analizy nie skupiają się na sekwencji nukleotydowej jednego regionu, ale na całości materiału genetycznego zawartego w próbce. Sekwencjonowanie całogenomowe gwarantuje wysoką rozdzielczość klasyfikacji taksonomicznej, umożliwiając identyfikację większej liczby gatunków bakterii niż w przypadku sekwencjonowania 16S rRNA [13]. 

Dodatkowo sekwencjonowanie całych genomów umożliwia bezpośrednie przewidywanie genów obecnych w zbiorowisku, nawet jeśli genomu danego gatunku nie ma w dostępnych bazach sekwencji referencyjnych. Oznacza to, że docelowo możliwe będzie nawet ustalenie potencjału biologicznego zbiorowiska mikroorganizmów składających się na mikrobiom jelitowy. Chodzi tutaj przede wszystkim o specyficzne funkcjonalne „właściwości” bakterii, wśród których można wskazać np. zdolność syntezy konkretnych witamin, krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych czy też neuroprzekaźników. 

Sekwencjonowanie nanoporowe w badaniach mikrobiomu

W projekcie NANOBIOME spółka wykorzystuje jedną z najnowszych technologii sekwencjonowania długich odczytów, czyli sekwencjonowanie nanoporowe opracowane przez Oxford Nanopore Technologies. Jest to obecnie technologia, która umożliwia uzyskanie najdłuższych odczytów sekwencji nukleotydowej (nawet ponad 2 Mb [14]), a wynikający z niej szeroki zakres informacji genetycznej bezpośrednio łączy się także z możliwością skutecznego rozróżnienia blisko spokrewnionych drobnoustrojów, a nawet rekonstrukcji genomów nieobecnych w bazach danych [15]. 

Sekwencjonowanie nanoporowe polega na odczytywaniu nukleotydów bezpośrednio z pojedynczej nici DNA, podczas gdy przechodzi ona przez nanopor. Sekwencjonowaniu poddawane jest natywne DNA (pochodzące bezpośrednio z komórek), dzięki czemu analiza nie jest zaburzona błędami związanymi z powielaniem materiału genetycznego, co jest niestety typowe dla technologii sekwencjonowania poprzednich generacji [16]. Dzięki temu organizmy, których genom wykazuje silne odchylenia (np. w zakresie zawartości par nukleotydów guanina – cytozyna), mogą zostać skutecznie rozpoznawane i zidentyfikowane. 

Taka strategia sekwencjonowania przekłada się na możliwość identyfikacji i profilowania zbiorowiska bakterii oraz innych mikroorganizmów obecnych w próbce już w jednym badaniu. Uzyskany wynik stanowi więc najbardziej szczegółowy obraz stanu mikrobioty jelitowej. Dzięki temu raport wynikowy z badania mikrobioty może posłużyć specjalistom z dziedziny żywienia...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • Roczną prenumeratę dwumiesięcznika Food Forum w wersji papierowej lub cyfrowej,
  • Nielimitowany dostęp do pełnego archiwum czasopisma,
  • Możliwość udziału w cyklicznych Konsultacjach Dietetycznych Online,
  • Specjalne dodatki do czasopisma: Food Forum CASEBOOK...
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy