Przez lata sekwencjonowanie 16S odgrywało kluczową rolę w badaniach nad mikrobiomem. Pomagało naukowcom zgłębiać bakterie w sposób, który wcześniej był trudny, kosztowny lub niemożliwy. Wiele wczesnych odkryć łączących mikrobiom jelitowy z biologią człowieka opierało się na badaniach wykorzystujących 16S¹.

Ale nauka o mikrobiomie szybko ewoluowała.

Nowoczesne technologie sekwencjonowania pozwalają badaczom badać mikrobiom na znacznie głębszym poziomie, a coraz więcej naukowców odchodzi od tradycyjnych metod 16S na rzecz szerszych metod metagenomicznych, takich jak sekwencjonowanie shotgunowe.

Nie oznacza to, że 16S jest „złe” lub przestarzałe. Nadal ma ważne zastosowania w badaniach. Ale gdy naukowcy potrzebują większej rozdzielczości, szerszej analizy ekosystemu i głębszego wglądu w funkcje, nowsze technologie stają się coraz ważniejsze.

Oto pięć głównych powodów, dla których nowoczesne badania nad mikrobiomem odchodzą od sekwencjonowania 16S.

1. Mikrobiom to coś więcej niż tylko bakterie

Jednym z największych ograniczeń sekwencjonowania 16S jest to, że skupia się ono głównie na bakteriach.

Ale mikrobiom jelitowy jest znacznie bardziej złożony niż same bakterie².

W ekosystemie jelitowym badacze badają również:

• grzyby
• wirusy
• bakteriofagi
• archeony
• interakcje mikrobiologiczne między tymi grupami

Nowoczesne metagenomiczne sekwencjonowanie shotgunowe może analizować znacznie szersze obszary mikrobiologicznego ekosystemu, ponieważ bada całkowite DNA w próbce, a nie tylko wybrane bakterio-markery³.

Ta szersza perspektywa staje się coraz ważniejsza w nauce o mikrobiomie, gdzie badacze postrzegają mikrobiom jako połączoną sieć ekologiczną, a nie prosty katalog bakterii.

2. Badacze chcą większej rozdzielczości

Innym ważnym ograniczeniem wielu metod 16S jest rozdzielczość taksonomiczna.

Sekwencjonowanie 16S często identyfikuje mikroorganizmy głównie na poziomie rodzaju. Ale różne gatunki w tym samym rodzaju mogą zachowywać się bardzo różnie i mogą posiadać różne właściwości metaboliczne, role ekologiczne lub interakcje mikrobiologiczne⁴.

Nowoczesne sekwencjonowanie shotgunowe często pozwala na głębszą rozdzielczość aż do klasyfikacji na poziomie gatunku.

Ta wyższa rozdzielczość pomaga badaczom lepiej zrozumieć:

• różnorodność mikrobiologiczną
• skład ekosystemu
• subtelne zmiany w społecznościach mikrobiologicznych
• interakcje między konkretnymi mikroorganizmami

W miarę jak zestawy danych mikrobiomu stają się większe i bardziej zaawansowane, ten poziom szczegółowości staje się coraz bardziej cenny.

3. Nowoczesne badania skupiają się bardziej na funkcjach

Jedną z najważniejszych zmian w nauce o mikrobiomie jest przejście od:
„Jakie bakterie są obecne?”
do:
„Co mikrobiom może naprawdę zrobić?”

Właśnie tutaj metagenomika shotgunowa staje się szczególnie potężna.

Ponieważ analizowane są duże części mikrobiologicznego DNA, badacze mogą badać funkcjonalny potencjał genetyczny w mikrobiomie⁵.

Obejmuje to szlaki związane z:

• metabolizmem mikrobiologicznym
• produkcją krótkołańcowych kwasów tłuszczowych
• produkcją gazów
• genami związanymi z opornością
• szerszymi funkcjami mikrobiologicznego ekosystemu

To nie mierzy bezpośrednio samych metabolitów, ale pozwala naukowcom badać potencjał genetyczny stojący za funkcjami mikrobiologicznymi.

Coraz częściej nowoczesne badania nad mikrobiomem skupiają się nie tylko na tożsamości mikrobiologicznej, ale także na aktywności mikrobiologicznej i funkcjonalności ekosystemu.

4. Ludzkie jelita zawierają miliony genów mikrobiologicznych

Ludzki mikrobiom zawiera znacznie więcej materiału genetycznego niż samo ludzkie genom⁶.

Ta świadomość fundamentalnie zmieniła sposób, w jaki naukowcy myślą o ekosystemie jelitowym.

Tradycyjne metody 16S badają tylko mały region bakterio-markera. Metagenomika shotgunowa z kolei może analizować znacznie większe części mikrobiologicznej informacji genetycznej.

Pozwala to badaczom badać:

• szerszą różnorodność mikrobiologiczną
• katalogi genów mikrobiologicznych
• złożoność ekosystemu
• geny związane z opornością
• ewolucyjne powiązania mikrobiologiczne

W miarę jak technologie sekwencjonowania i bioinformatyka nadal się poprawiają, zdolność do analizy tych dużych zestawów danych mikrobiologicznych stała się jedną z sił napędowych nowoczesnych badań nad mikrobiomem.

5. Nauka o mikrobiomie staje się bardziej zorientowana na ekosystem

Być może największą zmianą koncepcyjną jest to, jak badacze teraz postrzegają sam mikrobiom.

W przeszłości analiza mikrobiomu często skupiała się na poszczególnych grupach bakterii w izolacji. Dziś wielu naukowców coraz częściej podchodzi do mikrobiomu jelitowego jako do dynamicznego systemu ekologicznego⁷.

Dieta, stres, sen, antybiotyki, środowisko, biologia gospodarza i interakcje mikrobiologiczne wszystkie stale wpływają na mikrobiom.

Ta perspektywa na poziomie systemowym wymaga szerszych zestawów danych i bardziej kompleksowych metod sekwencjonowania.

To jeden z powodów, dla których metagenomika shotgunowa staje się coraz ważniejsza:
pozwala badaczom badać mikrobiom jako złożony ekosystem, a nie ograniczony zrzut bakterii.

Czy oznacza to, że 16S nie jest już użyteczne?

Wcale nie.

Sekwencjonowanie 16S pozostaje wartościowe dla:

• dużych badań kohortowych
• tańszych projektów badawczych
• szerokich przeglądów społeczności bakterii
• pewnych pytań badawczych dotyczących ekologii

Nadal jest powszechnie używane w nauce o mikrobiomie.

Ale w miarę jak koszty sekwencjonowania spadają, a narzędzia obliczeniowe się poprawiają, nowoczesne badania nad mikrobiomem coraz częściej zmierzają ku bardziej kompleksowym podejściom metagenomicznym.

Dziedzina ewoluuje od prostych podsumowań bakterii ku głębszej analizie na poziomie ekosystemu.

I ta zmiana kształtuje sposób, w jaki naukowcy badają ludzki mikrobiom.

Przyszłość badań nad mikrobiomem

Dziedzina mikrobiomu jest wciąż młoda. Wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi, a badacze nadal udoskonalają sposób badania i interpretacji ekosystemów mikrobiologicznych.

Ale jedna rzecz staje się coraz bardziej jasna:

Przyszła nauka o mikrobiomie prawdopodobnie stanie się:

• bogatsza w dane
• bardziej skoncentrowana na ekosystemie
• bardziej zorientowana na funkcje
• bardziej zaawansowana obliczeniowo
• o wyższej rozdzielczości

Nowoczesne technologie sekwencjonowania otwierają zupełnie nowe sposoby zgłębiania mikrobiologicznego świata wewnątrz nas.

A my dopiero zaczynamy rozumieć jego złożoność.

Wybór odpowiedniej technologii ma znaczenie

Każda metoda sekwencjonowania ma swoje zalety, a sekwencjonowanie 16S nadal odgrywa ważną rolę w badaniach nad mikrobiomem. Jednak w miarę jak badacze poszukują głębszych wglądów w ekosystemy mikrobiologiczne, metagenomika shotgunowa staje się preferowanym podejściem do badania mikrobiomu jelitowego z wyższą rozdzielczością i większą głębią funkcjonalną.

Zrozumienie tych różnic pomaga badaczom, pracownikom ochrony zdrowia i konsumentom podejmować bardziej świadome decyzje – na przykład przy wyborze najlepszej analizy mikrobiomu jelitowego.

Źródła naukowe

1. Johnson JS et al. Ocena sekwencjonowania genu 16S rRNA do analizy mikrobiomu na poziomie gatunku i szczepu. Nat Commun. 2019.
2. Huttenhower C et al. Struktura, funkcja i różnorodność zdrowego ludzkiego mikrobiomu. Nature. 2012.
3. Quince C et al. Metagenomika shotgunowa, od pobrania próbek do analizy. Nat Biotechnol. 2017.
4. Almeida A et al. Ujednolicony katalog 204 938 genomów referencyjnych z ludzkiego mikrobiomu jelitowego. Nat Biotechnol. 2021.
5. Lloyd-Price J et al. Multiomika ekosystemu mikrobiologicznego jelit w chorobach zapalnych jelit. Nature. 2019.
6. Qin J et al. Katalog ludzkich genów mikrobiologicznych jelit ustalony przez sekwencjonowanie metagenomiczne. Nature. 2010.
7. Knight R et al. Mikrobiom i biologia człowieka. Annu Rev Genomics Hum Genet. 2017.