Analiza funkcjonalna mikrobiomu

Przez długi czas badania nad mikrobiomem koncentrowały się głównie na jednym pytaniu:

Jakie bakterie żyją w jelitach?

Współczesna nauka idzie jednak o jeden decydujący krok dalej.

Dziś jednym z najważniejszych pytań jest:

Co te mikroorganizmy mogą w rzeczywistości robić?¹

Właśnie tutaj pojawia się analiza funkcjonalna mikrobiomu.

Od list bakterii do zrozumienia ich funkcji

Dwie osoby mogą nosić w jelitach bardzo różne gatunki bakterii, a mimo to wykazywać podobne funkcje mikrobiologiczne².

Dzieje się tak, ponieważ różne bakterie mogą wykonywać podobne zadania metaboliczne.

Dlatego współczesne badania nad mikrobiomem coraz częściej skupiają się na potencjale funkcjonalnym, a nie tylko na nazwach bakterii³.

Kluczowe pytania brzmią:

• Jakie szlaki metaboliczne są obecne?
• Jakie funkcje mikrobiologiczne są reprezentowane?
• Jak stabilny jest mikrobiologiczny ekosystem?

Czym jest potencjał funkcjonalny?

Mikroorganizmy posiadają geny umożliwiające konkretne zdolności metaboliczne⁴.

Obejmują one m.in.:

• Produkcję krótkołańcowych kwasów tłuszczowych
• Rozkład błonnika pokarmowego
• Syntezę witamin
• Produkcję gazów
• Interakcje z barierą jelitową

Analiza funkcjonalna mikrobiomu bada te zdolności genetyczne w obrębie mikrobiologicznego ekosystemu.

Ważne do zrozumienia:

Analizy funkcjonalne badają potencjał genetyczny. Nie mierzą one bezpośrednio samych metabolitów, lecz zdolności mikrobiologiczne zakodowane w DNA⁵.

Maślan: kluczowa cząsteczka współczesnych badań

Jedną z najintensywniej badanych funkcji mikrobiologicznych jest produkcja maślanu⁶.

Maślan to krótkołańcowy kwas tłuszczowy produkowany przez niektóre bakterie jelitowe podczas fermentacji błonnika pokarmowego.

Maślan jest intensywnie badany w kontekście:

• Funkcji bariery jelitowej
• Regulacji odporności
• Stabilności mikrobiologicznej
• Procesów metabolicznych⁷

Do dobrze znanych bakterii produkujących maślan należą:

• Faecalibacterium prausnitzii
• Roseburia
• Eubacterium rectale

Wiele z tych mikroorganizmów korzysta z diety bogatej w błonnik⁸.

Dlaczego analiza funkcjonalna jest tak ważna?

Współczesne badania coraz częściej wykazują:

Mikrobiom funkcjonuje jako ekosystem, a nie jako zbiór odizolowanych bakterii⁹.

Czysto taksonomiczna lista odpowiada na pytanie:

„Kto tam jest?”

Analiza funkcjonalna odpowiada na pytanie:

„Co ten ekosystem może robić?”

Jest to szczególnie istotne, ponieważ różnorodność mikrobiologiczna i stabilność funkcjonalna są ze sobą ściśle powiązane¹⁰.

Jak działa analiza funkcjonalna?

Tradycyjne metody 16S badają przede wszystkim regiony markerowe bakterii. Informacje funkcjonalne można je z nich jedynie pośrednio oszacować¹¹.

Nowoczesna metagenomika shotgunowa idzie znacznie dalej.

Analizuje ona całkowite DNA mikrobiologiczne w próbce. Pozwala to na bezpośrednie zbadanie genów mikrobiologicznych i szlaków metabolicznych¹².

W Bactera stosujemy nowoczesne sekwencjonowanie shotgunowe w połączeniu z naukową bioinformatyką.

Dzięki naszemu podejściu Microbiome 360° analizujemy:

Obszar	Co jest analizowane
Różnorodność bakterii	Różnorodność alfa i stabilność mikrobiologiczna
Potencjały funkcjonalne	Wzorce metaboliczne mikroorganizmów
Szlaki związane z maślanem	Potencjał krótkołańcowych kwasów tłuszczowych
Grzyby & wirusy	Składniki szerszego ekosystemu
Geny oporności	Wzorce genetyczne związane z opornością

Ważne do zrozumienia

Analiza funkcjonalna mikrobiomu dostarcza naukowych informacji o potencjale mikrobiologicznym¹³.

Nie zastępuje ona diagnostyki medycznej ani nie mierzy rzeczywistych stężeń metabolitów w organizmie.

Wyniki są przeznaczone do naukowego i edukacyjnego interpretowania wzorców mikrobiologicznych.

Podsumowanie

Analiza funkcjonalna mikrobiomu stanowi kolejny krok w nowoczesnych badaniach nad mikrobiomem.

Zamiast pytać tylko o to, jakie bakterie są obecne, bada ona, co mikrobiologiczny ekosystem może w rzeczywistości robić.

Dzięki nowoczesnemu sekwencjonowaniu shotgunowemu potencjały metaboliczne mikroorganizmów można obecnie analizować znacznie bardziej kompleksowo niż jeszcze kilka lat temu.

Właśnie dlatego analiza funkcjonalna staje się jednym z najważniejszych obszarów współczesnej nauki o mikrobiomie. Chcesz poznać potencjał funkcjonalny własnego jelitowego ekosystemu? Dowiedz się, jak przebiega analiza flory jelitowej.

Źródła naukowe

1. Lloyd-Price J et al. Multi-omics of the gut microbial ecosystem in inflammatory bowel diseases. Nature. 2019.
2. Huttenhower C et al. Structure, function and diversity of the healthy human microbiome. Nature. 2012.
3. Fan Y, Pedersen O. Gut microbiota in human metabolic health and disease. Nature Reviews Microbiology. 2021.
4. Qin J et al. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature. 2010.
5. Quince C et al. Shotgun metagenomics from sampling to analysis. Nature Biotechnology. 2021.
6. Makki K et al. The impact of dietary fiber on gut microbiota in host health and disease. Cell Host & Microbe. 2023.
7. Koh A et al. From dietary fiber to host physiology: short-chain fatty acids as key bacterial metabolites. Cell. 2016.
8. Asnicar F et al. Microbiome connections with host metabolism and habitual diet. Nature Medicine. 2021.
9. Knight R et al. The microbiome and human biology. Annual Review of Genomics and Human Genetics. 2017.
10. Lozupone CA et al. Diversity, stability and resilience of the human gut microbiota. Nature. 2022.
11. Johnson JS et al. Evaluation of 16S rRNA gene sequencing for species and strain-level microbiome analysis. Nature Communications. 2019.
12. Almeida A et al. A unified catalog of reference genomes from the human gut microbiome. Nature Biotechnology. 2021.
13. Knight R et al. Best practices for analysing microbiomes. Nature Reviews Microbiology. 2022.