Počas rokov hrálo sekvenovanie 16S dôležitú úlohu vo výskume mikrobiomu. Pomohlo vedcom skúmať bakteriálne komunity spôsobmi, ktoré boli predtým náročné, drahé alebo neprístupné. Mnohé rané objavy prepojujúce črečný mikrobiom s ľudskou biológiou boli založené na štúdiách využívajúcich 16S¹.

Veda o mikrobiome sa však rýchlo vyvíjala.

Súčasné technológie sekvenovania umožňujú výskumníkom teraz skúmať mikrobiom na oveľa hlbšej úrovni a stále viac vedcom sa odchádzajú od tradičných 16S prístupov k širším metagenomickým metódam, ako je shotgunové sekvenovanie.

To neznamená, že 16S je „zlé“ alebo zastarané. Stále má dôležitú úžiťnosť vo výskume. Keď však vedci potrebujú vyššiu rozlíšenie, širšiu analýzu ekosystému a hlbšie funkčné poznatky, novšie technológie sa stávajú čoraz dôležitejšími.

Tu je päť hlavných dôvodov, prečo sa moderný výskum mikrobiomu presúva od sekvenovania 16S.

1. Mikrobiom je viac než len baktérie

Jedným z najväčších obmedzení sekvenovania 16S je, že sa zameriava primárne na baktérie.

Črečný mikrobiom je však oveľa zložitejší než len bakteriálne komunity².

V črečnom ekosystéme skúmajú výskumníci aj:

• huby
• vírusy
• bakteriofágy
• archéia
• mikrobiálne interakcie medzi týmito skupinami

Moderné shotgunové metagenomické sekvenovanie dokáže analyzovať oveľa širšie časti mikrobiálneho ekosystému, pretože skúma celkový DNA v vzorku, nie len vybrané bakteriálne markerové regióny³.

Tento širší pohľad sa stáva čoraz dôležitejším vo vede o mikrobiome, kde výskumníci teraz vnímajú mikrobiom ako vzájomna prepojený ekologický systém, nie ako jednoduchý bakteriálny katalóg.

2. Výskumníci chcú vyššie rozlíšenie

Ďalším významným obmedzením mnohých 16S prístupov je taxonomické rozlíšenie.

Sekvenovanie 16S často identifikuje mikroorganizmy hlavne na úrovni rodu. Ale rôzne druhy v rovnakom rode sa môžu správať veľmi odlišne a môžu mať rôzne metabolické vlastnosti, ekologické role alebo mikrobiálne interakcie⁴.

Moderné shotgunové sekvenovanie často umožňuje hlbšie rozlíšenie až na klasifikáciu na úrovni druhu.

Toto vyššie rozlíšenie pomáha výskumníkom lepšie pochopiť:

• mikrobiálnu diverzitu
• zloženie ekosystému
• jemné zmeny v mikrobiálnych komunitách
• interakcie medzi konkrétnymi mikroorganizmami

Užitečné dáta o mikrobiome sa stávajú väčšími a sofistikovanejšími, preto sa táto úroveň detailu stáva čoraz cennou.

3. Moderný výskum sa viac zameriava na funkciu

Jedným z najdôležitejších posunov vo vede o mikrobiome je prechod od:
„Aké baktérie sú prítomné?“
k:
„Čo môže mikrobiom skutočne robiť?“

Tu sa shotgunová metagenomika stáva mimoriadne mocnou.

Keďže sa analyzujú veľké časti mikrobiálneho DNA, výskumníci môžu skúmať funkčný genetický potenciál v mikrobiome⁵.

Tento potenciál zahŕňa cesty súvisiace s:

• mikrobiálnym metabolizmom
• produkci krátkoketných mastných kyselín
• produkci plynových látok
• gény súvisiace s rezistenciou
• širšími funkciami mikrobiálneho ekosystému

Toto priamo nepremiera samotné metabolity, ale umožňuje vedcom skúmať genetický potenciál stojaci za mikrobiálnymi funkciami.

Moderný výskum mikrobiomu sa čoraz viac zameriava nielen na identitu mikrobných organizmov, ale aj na ich aktivitu a funkčnosť ekosystému.

4. Ľudské črevo obsahuje milióny mikrobiálnych génov

Ľudský mikrobiom obsahuje oveľa viac genetického materiálu než samotný ľudský genom⁶.

Toto poznanie zásadne zmenilo spôsob, akým vedci vnímajú črečný ekosystém.

Tradičné 16S prístupy skúmajú iba malý bakteriálny markerový región. Shotgunová metagenomika naopak dokáže analyzovať oveľa väčšie časti mikrobiálnych genetických informácií.

Týmto umožňujú výskumníkom skúmať:

• širšiu mikrobiálnu diverzitu
• katalógy mikrobiálnych génov
• zložitosť ekosystému
• gény súvisiace s rezistenciou
• mikrobiálne evolupné vzťahy

Užitečné technológie sekvenovania a bioinformatika sa neustále zlepšujú, preto sa schopnosť analyzovať tieto veľké mikrobiálne dáta stala jedným z hlavných motorov moderného výskumu mikrobiomu.

5. Veda o mikrobiome sa stáva viac orientovanou na ekosystém

Možno najväčší konceptuálny posun je v tom, ako výskumníci teraz vnímajú samotný mikrobiom.

V minulosti sa analýza mikrobiomu často zameriavala na jednotlivé bakteriálne skupiny v izolácii. Dnes sa k črečnému mikrobiomu čoraz viac pristupá ako k dynamickému ekologickému systému⁷.

Strava, stres, spánok, antibiotika, prostredie, biológia hostiteľa a mikrobiálne interakcie neustále ovplyvňujú mikrobiom.

Tento systémový pohľad vyžaduje širšie dáta a komplexnejšie prístupy k sekvenovaniu.

Je to jeden z dôvodov, prečo shotgunová metagenomika získava na dôležitosti:
umožňuje výskumníkom skúmať mikrobiom ako komplexný ekosystém, nie ako obmedzený bakteriálny okamžitý snímok.

Znamená to, že 16S už nie je užitočné?

Vôbec.

Sekvenovanie 16S zostáva cenné pre:

• veľké kohortové štúdie
• lacnejšie exploratívne projekty
• široké prehľady bakteriálnych komunit
• certainé ekologické výskumné otázky

Stále sa široko využíva vo vede o mikrobiome.

Ale zatiaľ čo náklady na sekvenovanie klesajú a výpočetné nástroje sa zlepšujú, moderný výskum mikrobiomu sa čoraz viac presúva k komplexnejším metagenomickým prístupom.

Odborná oblasť sa vyvíja od jednoduchých bakteriálnych súhrnov k hlbšej analýze na úrovni ekosystému.

A tento prechod mení spôsob, akým vedci skúmajú ľudský mikrobiom.

Budúcnosť výskumu mikrobiomu

Odborná oblasť mikrobiomu je stále mladá. Mnohé otázky zostávajú bez odpovedí a výskumníci neustále sfinifikujú spôsob, akým sa mikrobiálne ekosystémy skúmajú a interpretujú.

Ale jedna vec sa stáva čoraz jasnejšou:

Budúca veda o mikrobiome sa pravdepodobne stane:

• bohatšou o dáta
• viac orientovanou na ekosystém
• viac orientovanou na funkciu
• výpočtovo vyspělejšou
• s vyšším rozlíšením

Moderné technológie sekvenovania otvárajú úplne nové cesty na skúmanie mikrobiálneho sveta vo vnútri nás.

A stále sme len začínajúci pochopiť jeho zložitosť.

Výber správnej technológie je dôležitý

Každá metóda sekvenovania má svoje výhody a sekvenovanie 16S stále hrá dôležitú úlohu vo výskume mikrobiomu. Keď však výskumníci hľadajú hlbšie poznatky o mikrobiálnych ekosystémoch, shotgunová metagenomika sa stáva preferovaným prístupom na skúmanie črečného mikrobiomu s vyšším rozlíšením a väčšou funkčnou hĺbkou.

Pochopenie týchto rozdielov pomáha výskumníkom, zdravotníckym pracovníkom a spotrebiteľom robiť lepšie informované rozhodnutia – napríklad pri výbere najlepšej analýzy črečného mikrobiomu.

Vedecké zdroje

1. Johnson JS et al. Evaluation of 16S rRNA gene sequencing for species and strain-level microbiome analysis. Nat Commun. 2019.
2. Huttenhower C et al. Structure, function and diversity of the healthy human microbiome. Nature. 2012.
3. Quince C et al. Shotgun metagenomics, from sampling to analysis. Nat Biotechnol. 2017.
4. Almeida A et al. A unified catalog of 204,938 reference genomes from the human gut microbiome. Nat Biotechnol. 2021.
5. Lloyd-Price J et al. Multi-omics of the gut microbial ecosystem in inflammatory bowel diseases. Nature. 2019.
6. Qin J et al. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature. 2010.
7. Knight R et al. The microbiome and human biology. Annu Rev Genomics Hum Genet. 2017.