Генетически идентичные бактерии могут значительно различаться по форме и размеру. До сих пор оставалось открытым вопрос, влияют ли эти различия на функции бактерий. Исследователи из Института исследований инфекций на основе РНК имени Гельмгольца (HIRI) и кафедры микробиологии Университета Юлиуса-Максимилиана в Вюрцбурге (JMU) охарактеризовали функциональные различия между различными формами кишечной бактерии Bacteroides thetaiotaomicron.
Они продемонстрировали связь между типом клеток и метаболической функцией. Полученные результаты позволяют глубже понять разнообразие микробиоты кишечника и открывают новые возможности для терапии на основе микробиома. Исследование недавно было опубликовано в журнале Cell Reports.
Микробиом кишечника человека — это разнообразное микробное сообщество. Эти бактерии играют жизненно важную роль в поддержании нашего здоровья, способствуя пищеварению и защищая от болезней. Они демонстрируют огромное разнообразие, причём различия присутствуют не только на уровне видов. Даже бактерии одного вида с одинаковым генетическим составом могут выглядеть по-разному.
Хорошим примером этого является род Bacteroides, который представляет собой одни из наиболее распространённых кишечных бактерий и демонстрирует значительные морфологические различия. Это означает, что они бывают разных форм и размеров, известных как морфотипы. До сих пор молекулярные механизмы, лежащие в основе этого разнообразия и его потенциальное влияние на функции бактерий, были плохо изучены.
Анализ показал, что даже в, казалось бы, однородной культуре бактерий существуют значительные различия в активности генов между различными морфотипами клеток. «Многие из этих генов отвечают за производство белков, участвующих в метаболизме. Это указывает на то, что морфологическая дифференциация обусловлена метаболической специализацией», — объясняет ведущий автор Александр Вестерманн, учёный, работающий в HIRI, и профессор в JMU.
«Наши результаты были неожиданными, — добавляет Элиз Борне, докторант в лаборатории Вестерманна и первый автор исследования. — Они показывают, что различия в размере клеток бактерий обусловлены не только клеточным циклом. Скорее, это представляется преднамеренной стратегией комменсалов для процветания в такой динамичной среде, как кишечник человека».
Исследователи разделили и отсортировали бактерии в зависимости от их размера. Чтобы охарактеризовать различия в активности генов, команда разработала сверхчувствительный метод секвенирования РНК в тесном сотрудничестве с группой Эммануэля Салиба в HIRI. Эта технология позволяет определять и анализировать содержание рибонуклеиновых кислот (РНК) в биологических образцах.
Кроме того, исследователи использовали метод окрашивания, называемый флуоресцентной in situ гибридизацией, который позволил им визуализировать транскрипты непосредственно в клетке. Это позволило команде идентифицировать дифференциально экспрессируемые гены в качестве биомаркеров для определённых форм клеток. Исследователи обнаружили, что эти маркеры характерны не только для типа клеток; некоторые из них даже причинно связаны с определением размера клеток.
Одним из преимуществ нового метода является то, что для него требуется лишь небольшое количество материала. Фактически, для анализа достаточно всего нескольких клеток. «Наш протокол важен не только для нашего текущего исследования, но и представляет собой ценный инструмент для научного сообщества», — говорит Вестерманн. «В будущем наша методика может помочь исследователям выявить различия в активности генов отдельных клеток — как у Bacteroides, так и у других видов микробиоты», — добавляет Борне.
Полученные сведения могут открыть новые возможности для медицины. Поскольку бактерии Bacteroides выполняют важные функции, лучшее понимание их разнообразия может заложить основу для новых методов терапии на основе микробиома.
Предоставлено Ассоциацией Гельмгольца немецких исследовательских центров.