Ein genauerer genetischer Blick auf die unglaublichen, variablen Bakterien, die in Ihrem Mund leben

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Forscher nehmen die Genome der mikrobiellen Gemeinschaften im menschlichen Mund genauer unter die Lupe. Bakterien zeigen oft eine sehr starke Biogeographie – einige Bakterien sind an bestimmten Orten reichlich vorhanden, während sie an anderen nicht vorhanden sind – was bei der Anwendung der Mikrobiologie auf Therapeutika oder Probiotika zu wichtigen Fragen führt: Wie sind die Bakterien an den falschen Ort gelangt? Wie fügen wir die richtigen Bakterien am richtigen Ort hinzu, wenn die Biogeographie “aus den Fugen” geraten ist?

Diese Fragen haben jedoch ein großes Hindernis: Bakterien sind so winzig und zahlreich mit sehr unterschiedlichen und komplizierten Populationen, dass es eine große Herausforderung ist zu verstehen, welche Untergruppen von Bakterien wo leben und welche Gene oder metabolischen Fähigkeiten es ihnen ermöglichen, an diesen ‘falschen’ Orten zu gedeihen.

In einer neuen Studie, die in der Zeitschrift Genome Biology veröffentlicht wurde, untersuchten Forscher unter der Leitung der Harvard University das menschliche orale Mikrobiom und entdeckten eine beeindruckende Variabilität der bakteriellen Subpopulationen, die in bestimmten Bereichen des Mundes leben.

“Als mikrobielle Ökologen sind wir fasziniert davon, wie Bakterien scheinbar jeden Lebensraum in verschiedene Nischen aufteilen können, aber als Menschen selbst haben wir auch diese angeborene Neugier, wie sich die Mikroben in unserem Körper verteilen”, sagte der Hauptautor Daniel R. Utter, Doktorand am Department of Organismic and Evolutionary Biology der Harvard University.

Jüngste Entwicklungen in der Sequenzierung und in bioinformatischen Ansätzen haben neue Möglichkeiten eröffnet, die Komplexität bakterieller Gemeinschaften zu entwirren. Utter und Colleen Cavanaugh, Edward C. Jeffrey Professor für Biologie im Department of Organismic and Evolutionary Biology der Harvard University, haben sich mit Forschern des Marine Biological Laboratory, Woods Hole, der University of Chicago und des Forsyth Institute zusammengetan, um diese hochmodernen Sequenzierungs- und Analyseverfahren anzuwenden, um ein besseres Bild des oralen Mikrobioms zu erhalten.
“Der Mund ist der perfekte Ort, um mikrobielle Gemeinschaften zu untersuchen”, so Co-Autor A. Murat Eren, Assistenzprofessor in der Abteilung für Medizin an der Universität von Chicago. “Er ist nicht nur der Anfang des GI-Trakts, sondern auch eine sehr spezielle und kleine Umgebung, die mikrobiell so vielfältig ist, dass wir wirklich anfangen können, interessante Fragen über Mikrobiome und ihre Evolution zu beantworten.”

Der Mund enthält eine überraschende Menge an ortsspezifischen Mikroben in verschiedenen Bereichen. Zum Beispiel sind die Mikroben, die auf der Zunge gefunden werden, sehr unterschiedlich zu den Mikroben, die auf dem Zahnbelag gefunden werden. “Ihre Zungenmikroben sind denen, die auf der Zunge eines anderen Menschen leben, ähnlicher als denen, die in Ihrem Rachen oder auf Ihrem Zahnfleisch leben!”, sagt Eren.

Das Team durchforstete öffentliche Datenbanken und lud 100 Genome herunter, die vier häufig im Mund vorkommende Bakterienarten repräsentieren, Haemophilus parainfluenzae und die drei oralen Arten der Gattung Rothia, und nutzte sie als Referenzen, um ihre Verwandten zu untersuchen, die in den Mündern von Hunderten von Freiwilligen aus dem Human Microbiome Project (HMP) beprobt wurden.

“Wir nutzten diese Genome als Ausgangspunkt, gingen aber schnell darüber hinaus, um die gesamte genetische Variation unter den Billionen von Bakterienzellen, die in unseren Mündern leben, zu untersuchen”, so Utter. “Denn letztendlich ist es das, worauf wir neugierig sind, und nicht die willkürlichen wenigen, die sequenziert wurden.”

Die Verwendung dieses kürzlich entwickelten Ansatzes namens Metapangenomik, der Pangenome (die Summe aller Gene, die in einer Gruppe verwandter Bakterien gefunden werden) mit Metagenomik (die Untersuchung der gesamten DNA aller Bakterien in einer Gemeinschaft) kombiniert, ermöglichte den Forschern eine eingehende Untersuchung der Genome der Mikroben, die zu einer schockierenden Entdeckung führte.

“Wir fanden eine enorme Menge an Variabilität”, sagte Utter. “Aber wir waren schockiert von der Musterung dieser Variabilität über die verschiedenen Teile des Mundes, speziell zwischen der Zunge, der Wange und den Zahnoberflächen.” Zum Beispiel fanden die Forscher innerhalb einer einzigen Mikrobenart unterschiedliche genetische Formen, die stark mit einer einzigen, unterschiedlichen Stelle im Mund verbunden waren.

In vielen Fällen war das Team in der Lage, eine Handvoll Gene zu identifizieren, die den spezifischen Lebensraum einer bestimmten Bakteriengruppe erklären könnten. Durch die Anwendung der Metapangenomik konnten die Forscher auch feststellen, auf welche Weise sich freilebende Bakterien im Mund von Menschen von ihren im Labor gezüchteten Verwandten unterscheiden. “Die Auflösung, die diese Techniken bieten – durch den direkten Vergleich der Genome von “domestizierten” und “wilden” Bakterien – erlaubt es uns, diese Unterschiede Gen für Gen zu sezieren”, bemerkt Cavanaugh. “Wir waren auch in der Lage, neue Bakterienstämme zu identifizieren, die mit denen, die wir in Kultur haben, verwandt sind, sich aber von ihnen unterscheiden.”

“Nachdem wir einige wirklich starke bakterielle Kandidaten identifiziert haben, die die Anpassung an einen bestimmten Lebensraum bestimmen könnten, würden wir diese Hypothesen gerne experimentell testen”, so Cavanaugh.

Diese Erkenntnisse könnten möglicherweise der Schlüssel zur Entwicklung von gezielten Probiotika sein, bei denen Wissenschaftler das Gelernte über die Anforderungen der einzelnen Mikroben an ihren Lebensraum nutzen könnten, um nützliche Mikroben zu entwickeln, die in einem bestimmten Lebensraum landen. “Der Mund ist so leicht zugänglich, dass man sich schon lange mit Bakterien aus dem Mund beschäftigt hat”, sagt Co-Autorin Jessica Mark Welch, assoziierte Wissenschaftlerin am Marine Biological Laboratory.

“Jede Umgebung, die wir betrachten, hat diese wirklich komplizierten, komplexen Gemeinschaften von Bakterien, aber warum ist das so?”, sagte Mark Welch. “Zu verstehen, warum diese Gemeinschaften so komplex sind und wie die verschiedenen Bakterien interagieren, wird uns helfen, besser zu verstehen, wie wir eine Bakteriengemeinschaft, die unsere Gesundheit schädigt, in Ordnung bringen können, und uns sagen, welche Mikroben entfernt oder wieder hinzugefügt werden müssen.”

Diese Studie und andere wie sie können neue Erkenntnisse über die Rolle der oralen Mikroben für die menschliche Gesundheit liefern. “Die Fähigkeit, spezifische Gene zu identifizieren, die hinter der Anpassung an den Lebensraum stehen, ist so etwas wie ein ‘heiliger Gral’ in der mikrobiellen Ökologie”, sagt Utter. “Wir sind sehr gespannt auf unsere Beiträge in diesem Bereich!”

 

 

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